bomba hidraulica - dimensionamento
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE
COMPUTAÇÃO
DIMENSIONAMENTO DE MOTORES E SELEÇÃO DO ACIONAMENTO PARA SISTEMAS DE CAPTAÇÃO DE ÁGUA
Graduandos: Kennedy Alves Vieira
Saul Godino da Silva Filho Orientador: Prof. Dr. Antônio César Baleeiro Alves
Goiânia 2004
1
Kennedy Alves Vieira Saul Godino da Silva Filho
DIMENSIONAMENTO DE MOTORES E SELEÇÃO DO ACIONAMENTO PARA SISTEMAS DE CAPTAÇÃO DE ÁGUA
Projeto Final de Curso apresentado à Coordenação de Estágio e Projeto Final da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Federal de Goiás, como requisito parcial para integralização do currículo. Área de concentração: Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. Antônio César Baleeiro Alves Escola de Engenharia Elétrica e Computação —UFG
Goiânia 2004
2
Kennedy Alves Vieira Saul Godino da Silva Filho
DIMENSIONAMENTO DE MOTORES E SELEÇÃO DO ACIONAMENTO PARA SISTEMAS DE
CAPTAÇÃO DE ÁGUA
Projeto Final defendido e aprovado em ________de __________________________ de
________ pela Banca examinadora constituída pelos professores.
_______________________________________________
Prof. Dr. Antônio César Baleeiro Alves
Presidente da Banca
_________________________________________________
Prof. Phd José Wilson Lima Nerys
_________________________________________________
Eng. Antônio Marcos de Melo Medeiros, Mestrando EEEC/UFG
3
Agradecimentos
Ao professor e orientador desta monografia, Antônio César Baleeiro Alves,
pelo esforço e dedicação empenhada.
Ao Eng. Antônio Marcos, pela grande contribuição, principalmente no
fornecimento de material para a escolha da bomba e acionamento do motor.
Agradecer aos presentes à reunião na Senha
Francisco Humberto, Eng. Civil, Senha
Luiz Carlos Carneiro, Eng. Eletricista, Saneago
pela contribuição fundamental no melhoramento do programa.
Aos familiares e amigos pelo constante apoio, compreensão e paciência.
E a todos que colaboraram de forma direta ou indireta para este trabalho.
4
Sumário
Lista de Figuras.................................................................................................................6
Lista de Tabelas.................................................................................................................8
Resumo..............................................................................................................................9
Introdução........................................................................................................................10
Capítulo 1 – Dimensionamento de um Sistema de Captação de Água...........................12
1- Hidráulica dos Sistemas de Recalque......................................................................12
1.1- Altura Manométrica.........................................................................................13
1.2- Potência dos Conjuntos Elevatórios................................................................14
1.3- Perda de Carga.................................................................................................15
1.3.1- Perdas Dinâmicas....................................................................................16
1.3.2- Perdas Localizadas..................................................................................17
1.3.2.1- O método dos Comprimentos Equivalentes...................................18
1.4- Diâmetros Econômicos....................................................................................20
2- Bombas Hidráulicas.................................................................................................22
3- Curvas Características..............................................................................................23
3.1- Curva do Sistema Versus Bomba.....................................................................23
4- Cavitação e NPSH....................................................................................................25
5- Motores de Indução Trifásicos.................................................................................28
5.1- Motor de Alto Rendimento..............................................................................29
6- Métodos de Acionamento de um Motor de Indução................................................30
6.1- Critérios para o Dimensionamento de um Soft-Starter...................................32
6.2- Aplicações de Inversores de Freqüência em Motores de Indução Trifásicos..35
5
7- Análise Econômica em Conservação de Energia.....................................................38
7.1- Tempo de Retorno de Capital..........................................................................40
Capítulo 2 – Manual do Usuário do Programa Prosk2003..............................................39
1- Apresentação............................................................................................................42
2- Ambiente de Trabalho...............................................................................................43
3- Exemplo de Dimensionamento de um Sistema de Recalque sem Tubulação Pré-
Existente....................................................................................................................49
4- Exemplo de Dimensionamento de um Sistema de Recalque com Tubulação Pré-
Existente....................................................................................................................60
4.1- Subsistema MB1...............................................................................................63
4.2- Subsistema MB2...............................................................................................73
Conclusão........................................................................................................................76
Referências Bibliográficas...............................................................................................77
Apêndices........................................................................................................................78
6
Lista de Figuras
Figura 1.1 – Partes componentes de um sistema de recalque..........................................12
Figura 1.2 – Componentes da altura geométrica.............................................................13
Figura 1.3 – Classificação dos principais tipos de bomba...............................................22
Figura 1.4 – Gráfico de pré-seleção de uma bomba........................................................23
Figura 1.5 – Gráfico NPSHrequerido versus vazão..............................................................26
Figura 1.6 - Perdas em um motor de indução..................................................................28
Figura 1.7 – Comparativo entre métodos de partida.......................................................32
Figura 1.8 – Exemplo de fluxo de caixa..........................................................................38
Figura 2.1 – Iniciando o Prosk2003.................................................................................42
Figura 2.2 – Barra de menu e ferramentas.......................................................................43
Figura 2.3 – Novo projeto................................................................................................43
Figura 2.4 – Menu cadastro.............................................................................................44
Figura 2.5 – Cadastro de componentes ou peças.............................................................44
Figura 2.6 – Cadastro de motores....................................................................................41
Figura 2.7 – Cadastro de tubos........................................................................................45
Figura 2.8 – Cadastro de inversores................................................................................45
Figura 2.9 – Cadastro de Soft-Starters.............................................................................46
Figura 2.10 – Menu ferramentas......................................................................................46
Figura 2.11 – Resultados da análise econômica..............................................................47
Figura 2.12 – Gerador de gráfico.....................................................................................48
Figura 2.13 – Projeto de sistema de recalque sem tubulação pré-existente.....................49
Figura 2.14 – Inserindo componentes na linha de sucção...............................................50
Figura 2.15 – Parâmetros e configuração do exemplo sem tubulação pré-existente
preenchidos......................................................................................................................51
Figura 2.16 – Cálculo do diâmetro da tubulação para o exemplo sem tubulação pré-
existente...........................................................................................................................52
Figura 2.17 – Cálculos obtidos do exemplo sem tubulação pré-existente.......................53
Figura 2.18 – Gráfico de pré-seleção da bomba Mark-Peerless......................................54
Figura 2.19 – Dados da bomba escolhida........................................................................54
Figura 2.20 – Gráfico altura manométrica versus vazão da bomba Mark-Peerless........55
Figura 2.21 – Interseção da curva do sistema com a curva da bomba.............................56
7
Figura 2.22 – Ponto de projeto para o exemplo sem tubulação pré-existente.................56
Figura 2.23 – Resultado da escolha do motor para o exemplo sem tubulação pré-
existente...........................................................................................................................57
Figura 2.24 – Escolha do motor.......................................................................................58
Figura 2.25 – Novo projeto com tubulação pré-existente...............................................61
Figura 2.26 – Esquema da tubulação de sucção..............................................................62
Figura 2.27 – Esquema da tubulação de recalque do subsistema MB1...........................62
Figura 2.28 – Parâmetros do sistema MB1......................................................................63
Figura 2.29 – Configuração dos trechos..........................................................................64
Figura 2.30 – Configuração do primeiro trecho da sucção..............................................65
Figura 2.31 – Configuração do segundo trecho da sucção..............................................65
Figura 2.32 – Resultados das linhas de sucção e recalque OC........................................67
Figura 2.33 – Configuração do trecho AD......................................................................68
Figura 2.34 – Resultados das linhas de sucção e recalque OD........................................68
Figura 2.35 – Gráfico de pré-seleção da bomba KSB.....................................................69
Figura 2.36 – Gráfico da bomba KSB modelo Meganorm 125-315...............................70
Figura 2.37 – Interseção dos gráficos da bomba e do sistema para o subsistema
MB1.................................................................................................................................71
Figura 2.38 – Ponto de trabalho do subsistema MB1......................................................71
Figura 2.39 – Esquema da linha de recalque e sucção do subsistema MB2....................73
Figura 2.40 – Resultados do subsistema MB2................................................................74
Figura 2.41 – Gráfico de interseção das curvas da bomba e do sistema para o
subsistema MB2..............................................................................................................75
Figura A.1 – Definições das alturas utilizadas no cálculo da altura geométrica.............78
Figura A.2 – Definições das alturas utilizadas no cálculo da altura geométrica (caso em
que sh é negativo)............................................................................................................79
Figura A.3 – Tubulações de mesma rugosidade em paralelo (tubos múltiplos)..............82
Figura C.1 – Instalação de Soft-Starter em vários motores.............................................94
8
Lista de Tabelas
Tabela 1.1 – Peso específico da água para diversas temperaturas...................................15
Tabela 1.2 - Comprimentos equivalentes, em metros, para tubo hidraulicamente liso...19
Tabela 1.3 – Valores de multiplicação para diversas categorias.....................................34
Tabela 2.1 – Componentes da linha de sucção................................................................50
Tabela 2.2 – Componentes da linha de recalque.............................................................51
Tabela 2.3 – Pontos da curva da bomba para o sistema sem tubulação existente...........55
Tabela 2.4 – Dados colhidos sobre o sistema de captação de água.................................60
Tabela 2.5 – Componentes do primeiro trecho da sucção...............................................64
Tabela 2.6 – Componentes do segundo trecho da sucção...............................................65
Tabela 2.7 – Componentes da linha de recalque trecho OA............................................66
Tabela 2.8 – Componentes da linha de recalque trecho AB............................................66
Tabela 2.9 – Componentes da linha de recalque trecho BC............................................66
Tabela 2.10 – Componentes da linha de recalque trecho AD..........................................67
Tabela 2.11 – Pontos para a interpolação do gráfico da bomba......................................70
Tabela 2.12 – Componentes da linha de sucção do subsistema MB2.............................73
Tabela 2.13 – Componentes da linha de recalque trecho CB..........................................74
Tabela 2.14 – Componentes da linha de recalque do trecho BD.....................................74
Tabela A.1 – Comprimentos virtuais de peças................................................................81
Tabela A.2 – Rugosidade relativa de tubulações.............................................................81
Tabela B.1 – Distância mínima recomendada para cabos...............................................89
9
Resumo
Este trabalho aborda procedimentos de projeto de um típico sistema de
captação de água para abastecimento de unidades consumidoras comerciais e
industriais. Seguindo a análise dos elementos principais de um projeto de captação,
incluindo tubulação, bomba, motor e acionamento eletrônico, os procedimentos são
organizados sistematicamente sob a forma de um programa computacional.
O programa oferece, de forma didática e interativa, recursos para o
Dimensionamento de Motores e Seleção do Acionamento para Sistemas de Captação de
Água. A primeira finalidade prática, a qual nos propomos a cumprir, é a determinação
da bomba de sucção e do motor elétrico para atender as necessidades do sistema de
captação de água e aos requisitos de projeto. Além desta, ressaltamos, como
extremamente importante, a intenção de detalhar os procedimento técnicos para a
correta especificação dos equipamentos que compõem um sistema de recalque,
evitando-se assim o super dimensionamento. Após o dimensionamento do motor e
bomba partiremos para a especificação do acionamento com inversor ou soft-starter,
para o melhor ajuste de velocidade do motor e redução do impacto na partida. A
minimização dos gastos com o consumo de energia elétrica e a redução do investimento
inicial são certamente objetivos que norteiam este projeto, contemplando o aspecto
econômico.
10
Introdução
Atualmente, existe uma preocupação crescente com relação a eficientização de
instalações e sistemas supridos por energia elétrica, visando reduzir desperdícios e
eliminar investimentos desnecessários. A busca por soluções em eficientização e a
divulgação dos resultados obtidos fazem com que as pessoas sejam, cada vez mais,
exigentes quanto aos padrões de qualidade dos equipamentos e instalações que utilizam.
Portanto, é importante que aqueles empresários que almejam melhores rendimentos de
seus processos invistam em novas tecnologias que proporcionem a redução das perdas.
Sabemos que, ao reduzirmos as perdas, estaremos diminuindo os gastos nos usos finais
da energia elétrica e conseqüentemente reduzindo o custo de produção. Sendo assim, é
crucial realizar o correto dimensionamento de uma planta industrial ou de uma
instalação comercial, dentre os quais se inclui sistema de bombeamento d’água,
presente nas empresas dos mais variados ramos de atividades. Isto posto, o que nos
propomos a cumprir é justamente a determinação correta, ou seja, eficiente, das bombas
de sucção e dos respectivos motores elétricos para atender necessidades quanto ao
suprimento de água. Além disso, realizaremos a especificação dos inversores e soft-
starters, que também fazem parte do conjunto de equipamentos modernos que
compõem o sistema de recalque.
O nosso propósito preliminar com este trabalho é mostrar os procedimentos
técnicos que levam a um projeto otimizado de um sistema de captação de água. Como
ferramenta que facilita o projeto foi desenvolvido um programa que contém os
procedimentos para o correto dimensionamento do sistema de recalque. Para mostrar a
aplicação do programa “Prosk2003” serão exemplificados o dimensionamento de dois
sistemas de captação de água, culminando com suas corretas especificações.
Em face da exigüidade do tempo e por se tratar de um projeto de graduação,
não é alcançável a elaboração de um programa que atenda a todas as exigências
normalmente requeridas de programas profissionais. O programa consiste em gerar com
o auxílio do usuário, mediante dados que o mesmo forneça, resultados de um correto
dimensionamento do sistema de captação de água e o seu acionamento, com algumas
opções de interação e facilidade para a confecção de um relatório técnico.
No capítulo 1 são apresentados os métodos utilizados para o dimensionamento
do sistema de captação de água contemplando os princípios básicos da hidráulica, os
11
quais envolve o cálculo da perda de carga e altura manométrica. Determinando o valor
da potência mecânica requerida pelo conjunto elevatório partimos para o acionamento
do motor, onde podemos escolher entre o inversor ou o soft-starter, sendo que o
primeiro tem como função principal controlar a velocidade do motor em substituição
aos tradicionais métodos de fluxo, permitindo a otimização e adequação das condições
de operação da bomba para cada valor de vazão desejado, reduzindo perdas, ruídos e
desgastes mecânicos. O soft-starter é projetado principalmente para suavizar a partida
de motores, reduzindo correntes de partida, tensões bruscas, vibração e outros.
No capítulo 2 tem-se o guia do usuário com a aplicação de dois exemplos de
dimensionamento de sistema de captação utilizando o software Prosk2003. Um dos
exemplos é aplicado a sistema de captação sem tubulação pré-existente, onde é feito o
dimensionamento do diâmetro adequado das tubulações de recalque e sucção utilizando
o método do diâmetro econômico, e logo a seguir a escolha do conjunto moto-bomba
com o sistema de acionamento. Na parte de dimensionamento de sistema de captação
com tubulação pré-existente é apresentado um exemplo de uma indústria dividida em
dois subsistemas.
Nos Apêndices têm-se algumas considerações sobre o cálculo da altura
manométrica, instalação de inversores, soft-starters e um esquema de captação de água
de uma indústria aplicado na seção 4.
12
Capítulo 1
Dimensionamento de um Sistema de Captação de Água
1- Hidráulica dos Sistemas de Recalque
O conjunto constituído pelas canalizações e pelos meios mecânicos de
elevação denomina-se Sistema de Recalque (figura 1.1) [1]. Suas partes principais são:
a) Tubulação de sucção;
b) Conjunto moto-bomba;
c) Tubulação de recalque.
Figura 1.1 – Partes componentes de um sistema de recalque.
13
A tubulação de sucção mergulha no poço de mesmo nome e vai até a entrada
da bomba. A tubulação de recalque parte da boca de saída da bomba e vai ao
reservatório superior. Os sistemas de acionamento eletrônico, bem como os
componentes elétricos e mecânicos (válvulas, reduções, registros) não estão
representados na figura 1.1.
1.1 – Altura Manométrica
Altura manométrica é definida como sendo a altura geométrica da instalação
mais as perdas de carga ao longo da trajetória do fluxo. Altura geométrica é a soma das
alturas de sucção e recalque (figura 1.2). Fisicamente, é a quantidade de energia
hidráulica que a bomba deverá fornecer à água para que a mesma seja transportada a
uma certa altura, vencendo, inclusive, as perdas de carga.
Figura 1.2 – Componentes da altura geométrica.
No Apêndice A têm-se em mais detalhes a definição de altura manométrica e o
cálculo das perdas de carga, mas podemos expressá-la de acordo com a equação 1.1.
14
fgm HHH += (1.1)
Sendo:
Hm altura manométrica da instalação (m);
Hg altura geométrica, onde srg HHH += (m);
Hf perda de carga total (m).
1.2 - Potência dos Conjuntos Elevatórios
Para elevar a vazão Q de um líquido, de peso específico γ, de um reservatório
de água A para B, entre os quais há um desnível Hg, devemos instalar um conjunto
moto-bomba que deverá apresentar potência mecânica suficiente para vencer as
resistências representadas pelas distâncias geométricas, pelas características das
tubulações e pelas perdas na condução do fluido.
A grandeza que permite a especificação do conjunto elevatório moto-bomba é
a potência mecânica [1], designada por Pm e dada de acordo com a expressão 1.2.
mb
mm
HQP
ηηγ
××××
=75
(1.2)
Sendo:
Pm é a potência mecânica em cavalos-vapor (cv);
γ é o peso específico do fluido bombeado, em 3mkgf ;
Q é a vazão, em sm3 ;
Hm é a altura manométrica, em m;
ηb é o rendimento da bomba hidráulica;
ηm é o rendimento do motor elétrico.
O peso específico γ depende da temperatura do fluido. Na tabela 1.1 temos
alguns valores para peso específico para diversas temperaturas.
15
Temperatura °C Peso específico γ(kN/m³) Peso específico γ(kgf/m³) Pressão de vapor(m)15 9,798 999,118 0,170 20 9,789 998,200 0,250 25 9,777 996,977 0,330 30 9,764 995,651 0,440 40 9,730 992,184 0,760 50 9,689 988,003 1,260 60 9,642 983,210 2,030 70 9,589 977,806 3,200 80 9,530 971,790 4,960 90 9,466 965,263 7,180
100 9,399 958,431 10,330
Tabela 1.1 – Peso específico da água para diversas temperaturas.
O valor de pressão de vapor é utilizado para o cálculo do NPSHdisponível (ver
fórmula 1.14), dado importante para evitar o fenômeno de cavitação da bomba.
Uma vez conhecidas as grandezas que figuram no segundo membro da
equação, a potência mecânica é então calculada. Com o valor da potência podemos
fazer a seleção do motor elétrico adequado.
1.3 - Perda de Carga
Perda de carga refere-se à energia perdida pela água no seu deslocamento por
alguma tubulação [1]. Essa perda de energia é provocada por atritos entre a água e as
paredes da tubulação, devido à rugosidade da mesma e também pelo contato do fluido
com os componentes. Portanto, ao projetar uma estação de bombeamento, deve-se
considerar essas perdas de energia que são classificadas em dois tipos:
Perdas dinâmicas: São aquelas relativas às perdas ao longo de uma
tubulação, sendo função do comprimento, material e diâmetro.
Perdas localizadas: São aquelas proporcionadas por elementos que
compõem a tubulação, exceto a tubulação propriamente dita. Portanto, são perdas de
energia observadas em peças, como curvas de 90o ou 45o, registros, válvulas, luvas,
reduções e ampliações.
16
Para o cálculo da perda de carga total, normalmente trabalha-se com o método
dos comprimentos equivalentes. Isto é feito através de tabelas, convertendo-se a perda
localizada em perda de carga equivalente a um determinado comprimento de tubulação.
Isso significa que, ficticiamente, seria como substituir, por exemplo, uma curva de 90o
por um comprimento de tubo, e a perda de carga dinâmica nesse comprimento equivale
à perda sofrida no tubo.
1.3.1 - Perdas Dinâmicas
Para o cálculo das perdas dinâmicas utiliza-se a fórmula empírica de Hazen-
Williams [1], que relaciona a velocidade do fluido com os parâmetros de rugosidade e
raio hidráulico e perda de carga unitária, conforme indica a equação 1.3.
87,485,1
85,1
641,10DC
QJ×
×= (1.3)
Sendo:
J a perda de carga unitária, em mm ;
Q a vazão, em sm3 ;
D diâmetro da tubulação, em m ;
C coeficiente de rugosidade, depende da natureza do material
empregado na fabricação dos tubos e das condições de suas paredes internas.
Como é uma fórmula empírica, elaborada com base em inúmeros
experimentos, deve-se ter o cuidado de utilizá-la observando restrições relativas às
condições em que foram obtidas, quais sejam:
O escoamento deve ser turbulento de transição;
Diâmetro dos condutos deve ser maior ou igual a 4” (100 mm);
A aplicação em redes de distribuição de água, adutoras, sistemas de
recalque.
Para obter a perda de carga dinâmica total, calculamos o comprimento virtual
da tubulação. Matematicamente, define-se perda de carga como a equação 1.4.
17
ef LJH ×= (1.4)
Sendo:
Hf perda de carga de uma instalação, em m ;
J perda de carga unitária, em mm ;
Le comprimento equivalente da tubulação, em m .
O cálculo dos comprimentos virtuais deve levar em conta as perdas localizadas
além do comprimento da própria tubulação em seus correspondentes trechos.
1.3.2 - Perdas Localizadas
As instalações para transporte de água sob pressão, de qualquer porte, são
constituídas por tubulações montadas em seqüência, unidas por acessórios de natureza
diversa como válvulas, curvas, derivações, registros, conexões de qualquer tipo e,
eventualmente, uma máquina hidráulica como uma bomba ou uma turbina. Nos trechos
retilíneos, de diâmetro constante e de mesmo material, a perda de carga unitária é
constante, desde que o regime seja permanente.
A presença de qualquer um destes acessórios concorre para que haja,
localmente, alteração de módulo ou de direção da velocidade média e,
conseqüentemente, de pressão. Há, portanto, um acréscimo de turbulência que produz
perdas de carga que devem ser somadas às perdas distribuídas. Tais perdas recebem o
nome de Perdas de Carga Localizadas ou Perdas de Carga Singulares.
Para a maioria dos acessórios e conexões utilizados não existe um tratamento
analítico para o cálculo da perda de carga. É um campo experimental, pois a avaliação
dessas perdas depende de diversos fatores de difícil quantificação.
De forma geral, para cada acessório, a perda de carga pode ser expressa pela
equação 1.5.
gVKH f 2
2
×= (1.5)
18
Sendo:
Hf perda de carga de uma instalação, em m ;
K coeficiente adimensional que depende da geometria da
conexão, do número de Reynolds, da rugosidade da parede e, em certos casos,
das condições do escoamento.
V velocidade de referência, em geral a velocidade média, em
sm .
O coeficiente K é determinado experimentalmente e, na prática, assume-se que
tenha um valor constante, independente do número de Reynolds. Na literatura, este
valor é apresentado em tabelas e gráficos [2].
Para o cálculo dos comprimentos virtuais em termos de número de diâmetros
da tubulação para a avaliação das perdas localizadas utilizamos o método dos
comprimentos equivalentes descrito na seção 1.3.2.1.
1.3.2.1 - O Método dos Comprimentos Equivalentes
O método consiste em adicionarmos ao comprimento real da tubulação,
somente para efeito de cálculo, comprimentos de tubo, com o mesmo diâmetro do
conduto em estudo, capazes de provocar as mesmas perdas de carga ocasionadas pelas
peças que substituem. A tubulação adquire um certo comprimento virtual e a perda de
carga total é calculada pela fórmula de determinação das perdas de carga contínuas. As
perdas de carga distribuídas ao longo das canalizações podem ser determinadas pela
fórmula de Darcy-Weisbach (equação 1.6) ou fórmula universal [1].
gV
DfLH f 2
2
××= (1.6)
Sendo:
Hf perda de carga de uma instalação em m ;
L comprimento virtual em m ;
19
f coeficiente de atrito;
D diâmetro da tubulação em m ;
V velocidade média em sm .
Por outro lado, as perdas localizadas são calculadas com a expressão geral 1.7.
gVKH f 2
2
×= (1.7)
Observamos que as perdas de carga locais variam com a mesma potência da
velocidade que aparece no cálculo das perdas de carga contínuas, na fórmula indicada.
Em virtude desta coincidência, igualando as expressões acima, obtemos a equação 1.8.
fDKLe
×= (1.8)
Onde Le é chamado de comprimento equivalente, encontrado tabelado em
manuais para diversos materiais e dimensões de singularidades. Na tabela 1.2 temos
alguns valores de comprimentos equivalentes fornecidos pela NBR 5626/1998.
Tipo de conexão
Diâmetro Nominal Cotovelo
90° Cotovelo
45° Curva
90° Curva
45° Tê Passagem
Direta Tê Passagem
Lateral 15 1,1 0,4 0,4 0,2 0,7 2,3 20 1,2 0,5 0,5 0,3 0,8 2,4 25 1,5 0,7 0,6 0,4 0,9 3,1 32 2,0 1,0 0,7 0,5 1,5 4,6 40 3,2 1,0 1,2 0,6 2,2 7,3 50 3,4 1,3 1,3 0,7 2,3 7,6 60 3,7 1,7 1,4 0,8 2,4 7,8 75 3,9 1,8 1,5 0,9 2,5 8,0
100 4,3 1,9 1,6 1,0 2,6 8,3 125 4,9 2,4 1,9 1,1 3,3 10,0 150 5,4 2,6 2,1 1,2 2,8 11,1
Tabela 1.2 - Comprimentos equivalentes, em metros, para tubo hidraulicamente liso.
20
Dividindo os componentes obtidos na tabela 1.2 pelos respectivos diâmetros,
verificamos que os resultados apresentam pequena variação. Deste modo, os
comprimentos virtuais podem ser expressos em número de diâmetros, como mostrado
na tabela A.1.
Para o cálculo da perda de carga total, utilizando o método dos comprimentos
equivalentes, tomamos a soma dos valores da tabela A.1 correspondente aos
componentes pertencentes à linha e multiplicamos pela perda unitária equivalente
daquele trecho, fazendo assim a conversão da perda acidental em perda de carga
equivalente a um determinado comprimento de tubulação. Isso significa que estamos
substituindo, por exemplo, uma curva de 90° por um comprimento de tubo, e a perda de
carga contínua nesse comprimento equivale à perda localizada na curva. Para isto
utilizamos a equação 1.6.
1.4 - Diâmetros Econômicos
Como notamos, em quaisquer das fórmulas práticas indicadas, a vazão e a
perda de carga unitária crescem com a velocidade média do escoamento.
Como efeito, fazendo o recalque com velocidades de escoamento baixas,
resultam diâmetros relativamente grandes, implicando em custos elevados da tubulação
e menores gastos com as bombas e energia elétrica, porque as alturas manométricas são
menores.
Velocidades altas requerem diâmetros menores, de custos mais baixos, mas
que provocam grandes perdas de carga. Como conseqüência, as alturas manométricas
são maiores, os conjuntos mais potentes e mais caros, exigindo maior consumo de
energia elétrica.
Para o dimensionamento da tubulação, vamos utilizar o critério de velocidade
econômica, onde a velocidade pode variar de 0,6 a 2,4m/s. Para determinar o diâmetro a
partir deste critério, procede-se através da fórmula de Bresse (equação 1.9), de grande
utilidade prática [1].
QkD = (1.9)
Sendo:
21
D diâmetro do tubo, em m;
k coeficiente experimental;
Q vazão dado, em sm /3 .
Cabe ao projetista eleger convenientemente o valor de k. Em realidade,
escolher o valor de k equivale fixar a velocidade. Realmente, levando na equação da
continuidade o valor de Q tirado da fórmula de Bresse (equação 1.9), vem à equação
1.10 [1].
2
4k
V×
=π
(1.10)
Sendo:
V velocidade da água em sm / ;
k coeficiente experimental.
Substituindo a velocidade na equação 1.10 por um valor entre 0,6 e 2,4m/s
temos o valor do coeficiente k, o qual é necessário para obtenção do diâmetro na
equação 1.9. A partir do valor calculado, usa-se o diâmetro comercial imediatamente
acima para a tubulação de sucção, e o diâmetro comercial imediatamente abaixo no
recalque.
22
2 – Bombas Hidráulicas
Bombas são máquinas hidráulicas geratrizes ou operatrizes cuja finalidade é
realizar o deslocamento de um líquido por escoamento. Elas transformam o trabalho
mecânico que recebe para seu funcionamento em energia, que é comunicada ao líquido
sob formas de energia de pressão e cinética [2].
As bombas podem ser classificadas pela sua aplicação ou pela forma com que
a energia é cedida ao fluido. O quadro da figura 1.3 mostra resumidamente a
classificação dos principais tipos de bombas.
Figura 1.3 – Classificação dos principais tipos de bomba.
Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água:
a) Bomba de sucção positiva: quando o eixo da bomba situa-se acima do
nível do reservatório.
b) Bomba de sucção negativa, “afogada”: quando o eixo da bomba situa-
se abaixo do nível do reservatório.
Especiais
slizantesPalhetasDeParafusoLóbulos
sEngrenagen
Rotativas
DiafragmaEmboloPistão
asAlternativ
positivotodeslocamenou
asVolumétric
FrancisTipoRadiaisPuras
AxialFluxoMistoFluxo
sCentrífuga
sturbobombaouDinâmicas
)(
23
3 - Curvas Características
A figura 1.4 apresenta um gráfico de pré-seleção de bombas de uma
determinada marca, a partir do qual o usuário tem uma idéia de quais catálogos
consultarem a respeito da seleção propriamente dita, locando o ponto de trabalho neste
gráfico e determinando qual a “família” ideal de bombas.
Figura 1.4 – Gráfico de pré-seleção de uma bomba [11].
3.1 - Curva do Sistema Versus Bomba
A curva do sistema, também conhecida como curva da tubulação é uma curva
traçada no gráfico altura manométrica versus vazão e sua importância está na
determinação do ponto de trabalho da bomba, pois esse é obtido no encontro dessa
curva com a curva característica da bomba (figura 2.37).
Para traçá-la, é necessário retornar à definição de altura manométrica, fazendo
com que a equação 1.1 tenha a forma ( )QfH m = através dos passos descritos a seguir.
Assim, Hf pode também ser definida pela equação 1.11.
24
852,1QkH f ×= (1.11)
Sendo: 852,1
63,2355,04
×××
×=DC
Lekπ
(1.12)
Ou seja, basta desmembrar a vazão da equação de Hazen-Willians [1] da perda
de carga unitária e multiplicar o comprimento equivalente pela outra parte da equação.
Dessa forma, a equação ( )QfH m = , tem a forma da equação 1.13.
852,1QkHGH m ×+= (1.13)
Em um projeto de um sistema de recalque, tem-se o conhecimento da vazão
necessária e da altura manométrica (altura geométrica mais perdas de carga); a altura
geométrica é a soma da altura de sucção com a altura de recalque. Assim, basta
substituir esses pontos conhecidos, na equação acima, para encontrar k, completando a
equação.
Definida a equação, constrói-se a curva do sistema, criando uma tabela de
valores de vazão pela altura manométrica. Em seguida, plota-se os valores no gráfico
altura manométrica versus vazão e unindo-os, tem-se a curva do sistema.
A curva da bomba e obtida através do catálogo do fabricante, mas podemos
expressa-lá genericamente na forma da expressão 1.14.
852,1QAHH om ×−= (1.14)
Sendo:
Ho altura de carga no fechamento, em m;
A coeficiente de determinação;
Q vazão do sistema, em hm /3 .
O coeficiente de determinação depende das características próprias de cada
bomba, sendo de estudo do fabricante. Através do ponto de intersecção entre a curva do
sistema e a curva da bomba, figura 2.37, encontra-se o ponto de trabalho da bomba que,
na maioria das vezes, é diferente do ponto proveniente do projeto.
25
4 – Cavitação e NPSH
A cavitação pode ocorrer em qualquer máquina trabalhando com líquido
sempre que a pressão estática local cair abaixo da pressão de vapor do líquido. Quando
isso ocorre, o líquido pode vaporizar-se instantaneamente, formando uma cavidade de
vapor e alterando a configuração do escoamento em relação à condição sem cavitação.
A cavidade de vapor muda a forma efetiva da passagem do fluxo, assim alterando o
campo de pressão local. Como o tamanho e a forma da cavidade de vapor são
influenciados pelo campo de pressão local, o escoamento pode passar a não-
pernamente. Essa condição pode causar oscilação em todo o escoamento e vibração na
máquina [6].
Quando a cavitação começa, o efeito é a rápida redução do desempenho da
bomba ou da turbina. A cavitação, portanto, deve ser evitada, a fim de manter a
operação estável e eficiente. Além disso, as pressões de superfície locais podem tornar-
se altas quando a cavidade de vapor implode, causando avarias por erosão generalizada
ou localizada. As avarias podem ser severas a ponto de destruir uma máquina fabricada
com material quebradiço de baixa resistência. Obviamente, a cavitação deve ser evitada,
também, para assegurar uma longa vida para a máquina.
Numa bomba, a cavitação tende a começar na seção onde o escoamento é
acelerado para dentro do impelidor. A cavitação numa turbina começa onde a pressão é
menor. A tendência a cavitar aumenta à medida que a velocidade do escoamento local
aumenta, isto ocorre sempre que a vazão ou a velocidade de operação da máquina
aumenta [6].
A cavitação pode ser evitada se a pressão em todos os pontos da máquina for
mantida acima da pressão de vapor do líquido de operação. A velocidade constante, isto
requer que uma pressão positiva (maior do que a pressão de vapor do líquido) seja
mantida na entrada da bomba (a aspiração). Por causa das perdas de pressão na entrada
da bomba, a pressão de aspiração pode ser abaixo da atmosférica. Por conseguinte, é
importante limitar cuidadosamente a queda de pressão na tubulação de aspiração.
A altura de aspiração acima da pressão de vapor (NPSH) é definida como a
diferença entre a pressão absoluta de estagnação no escoamento, na aspiração da bomba,
e a pressão de vapor do líquido, expressa em altura do líquido que flui [6]. A altura de
aspiração acima da pressão de vapor requerida (NPSHrequerido) por uma bomba específica
26
a fim de eliminar a cavitação varia com o líquido bombeado, com a sua temperatura e
com a condição da bomba (por exemplo, as características geométricas críticas da
bomba são afetadas pelo desgaste). O NPSHrequerido pode ser medido numa bancada de
teste de bombas controlando-se a pressão na entrada. Os resultados são plotados na
curva de desempenho.
O NPSHdispomível na entrada da bomba deve ser maior do que o NPSHrequerido
para que não haja cavitação. A pressão cai na tubulação de aspiração e na entrada da
bomba com o aumento da vazão em volume. Assim, para qualquer sistema, o
NPSHdisponível diminui quando a vazão em volume do sistema aumenta, as curvas de
NPSHdisponível e NPSHrequerido versus vazão eventualmente se cruzam. Para qualquer
sistema de entrada, existe uma vazão que não pode ser excedida sob pena de haver
cavitação na bomba. As perdas de pressão na entrada podem ser reduzidas aumentando-
se o diâmetro do tubo de aspiração.
Para o correto dimensionamento da bomba evitando o fenômeno da cavitação
deve-se obter o NPSHrequerido diretamente da curva característica correspondente do
modelo de bomba escolhido (figura 1.5) e compará-lo com o NPSHdisponível calculado
pelo programa. Consulte no catálogo o gráfico NPSHrequerido versus vazão da bomba
selecionada e verifique para o valor da vazão de projeto o valor do NPSHrequerido e
compare com o NPSHdisponível, observe que a condição NPSHdisponível > NPSHrequerido deve
ser verdadeira para que não haja problemas de cavitação, caso contrário deverão ser
feitas alterações no projeto.
Figura 1.5 – Gráfico NPSHrequerido versus vazão.
27
Esse NPSH deve ser estudado pelo projetista da instalação, através da seguinte
expressão 1.15.
)(sf
vs
atmdisponível H
PH
PNPSH ++−=
γγ (1.15)
Sendo:
NPSHdisponível energia disponível na instalação para sucção, em m;
Patm pressão atmosférica local, em 2mkgf ;
γ densidade da água, em 3mkgf ;
Hs altura de sucção, é negativa quando a bomba está
afogada, e positiva quando estiver acima do nível d´água, em m;
Pv pressão de vapor do fluido em função da sua
temperatura;
Hfs perda de carga total na linha de sucção, em m;
O projetista pode, dentro de certos limites, alterar o NPSHdisponível modificando
a cota do eixo da bomba ou outros elementos, observando que seu valor deve ser, pelo
menos 15% maior que o NPSHrequerido.
O NPSHrequerido é a "carga energética líquida requerida pela bomba" para
promover a sucção. Esse NPSH é objeto de estudo do fabricante, sendo fornecido
graficamente através de catálogos.
Observa-se, portanto, que a energia disponível na instalação para sucção deve
ser maior que a energia requerida pela bomba, logo NPSHdisponível ≥ NPSHrequerido. Caso
contrário haverá cavitação em decorrência de uma sucção deficiente.
28
5 - Motores de Indução Trifásicos
Muito embora os motores de indução trifásicos sejam máquinas
intrinsecamente eficientes, estes se constituem como um grande potencial de
conservação de energia. Tal fenômeno pode ser explicado através de duas razões
principais, quais sejam, a grande quantidade de motores instalados e a aplicação
ineficiente dos mesmos. De fato, uma pesquisa recente mostrou que, em média, cerca de
50% das cargas elétricas industriais são compostas por motores de indução, chegando a
70% em algumas regiões do país [2].
Por outro lado, é muito comum encontrar-se o chamado motor sobre
dimensionado, ou seja, motores acionando cargas muito inferiores à sua capacidade
nominal, acarretando em baixos fatores de potência e rendimentos, contribuindo para a
sua aplicação ineficiente.
Basicamente, o motor é um conversor eletromecânico que, baseado em
princípios eletromagnéticos, converte energia elétrica em energia mecânica, ou vice-
versa, quando passa a se chamar gerador. Naturalmente, esta conversão não é completa
devido a uma série de perdas que ocorrem no interior da máquina durante este processo.
Tais perdas podem ser agrupadas da seguinte forma: perdas Joule no estator, perdas
Joule no rotor, perdas no ferro, perdas por dispersão e perdas por atrito e ventilação.
A potência elétrica absorvida da rede menos as perdas resulta na potência
mecânica disponível no eixo do motor. O rendimento será dado pela relação entre a
potência mecânica e a potência elétrica. A distribuição das perdas em um motor varia de
acordo com o seu carregamento.A figura 1.6 apresenta a relação de proporção e
distribuição média das perdas em um motor operando em condições nominais [2].
Figura 1.6 - Perdas em um motor de indução.
Atrito e Ventilação 7,5%
Rotor 20%
Dispersão 12,5%
Ferro 20%
Estator 40%
29
5.1 - Motor de Alto Rendimento
Os motores de alto rendimento se apresentam como uma boa alternativa, muito
embora não sejam as soluções definitivas para todos os problemas energéticos
relacionados aos motores de indução, posto que são tão suscetíveis a fatores exógenos
(condições do alimentador, método de partida, ambiente de trabalho, etc.) quanto os
motores de projeto padronizado.
A principal característica destes motores é a melhoria em pontos vitais onde se
concentra a maioria das perdas. Como exemplo, pode-se citar:
O aumento da quantidade de cobre nos enrolamentos do estator,
incluindo o projeto otimizado das ranhuras;
O super dimensionamento das barras do rotor para diminuir as perdas
por efeito Joule;
Diminuição da intensidade de campo magnético e utilização de chapas
magnéticas de boa qualidade para reduzir as perdas no ferro e a corrente de
magnetização;
Emprego de rolamentos adequados e otimização do projeto dos
ventiladores para diminuir as perdas por atrito e ventilação;
Regularidade do entreferro, melhoria no isolamento e tratamento
térmico das chapas do estator e do rotor para reduzir as perdas adicionais.
Estas medidas podem acarretar uma redução de até 30% das perdas, o que
significa uma real economia de energia [2].
30
6 – Métodos de Acionamento de um Motor de Indução
Quando se liga um motor de indução, isto é, “dá-se partida”, a corrente
absorvida é 3, 4, 5 e até maior número de vezes superior à corrente nominal a plena
carga. Este número depende do tipo e das características construtivas do motor. À
medida que o motor vai atingindo sua potência nominal, a corrente vai decrescente e a
velocidade aumentando, até que atinja a velocidade de regime, o que se dará quando o
motor estiver fornecendo a potência nominal para a qual foi previsto funcionar, em
condições normais [5].
Vê-se que, ao dar partida, o motor consome mais de 600% da corrente a plena
carga. Quanto maior a inércia das partes a receberem a ação ou os efeitos do conjugado
motor, maior será o tempo necessário para que a corrente atinja o valor nominal a plena
carga [5].
A maneira mais simples de partir um motor de indução é a partida direta, a
qual o motor é ligado à rede diretamente através de um contator e disjuntor. Porém,
deve-se observar que para este tipo de partida existem restrições de utilização.
Para motores de até 5cv, ligados à rede secundária trifásica, podem-se usar
chaves de partida direta. Acima desta potência, deve-se empregar um dispositivo de
partida que limite a corrente de partida a um máximo de 225% da corrente nominal do
motor, como chaves estrela-triângulo, compensadoras de partida e soft-starter.
No caso em que a corrente de partida do motor é elevada podem ocorrer o
aumento da queda de tensão no sistema de alimentação da rede. Em função disto,
provocará a interferência em equipamentos instalados no sistema. O sistema de proteção
(cabos, contatores) deverá ser super dimensionado, ocasionando um custo elevado.
Caso a partida direta não seja possível, devido aos problemas citados acima,
pode-se usar sistema de partida indireta para reduzir a corrente de partida:
Chave estrela-triângulo
Chave compensadora
Partida eletrônica (soft-starter)
As chaves estrela-triângulo são utilizadas para motores de potência de até
130cv. Estabelece de início a ligação do estator do motor em estrela e, quando o rotor
31
atinge a velocidade nominal, mudam a ligação para triângulo. Com isto, a corrente de
linha na partida (ligação em estrela) fica reduzida de 1/3 da ligação em triângulo, e a
tensão de fase aplicada fica reduzida de 31 . Como o conjugado-motor é proporcional
ao quadrado da tensão, ele fica reduzido de 1/3 em relação à ligação-triângulo.
As chaves estrela-triângulo podem ser de comando manual local (até 60A) ou
automáticas, à distância (até 630A) por botão, chaves de nível, etc. As chaves são
aplicáveis a motores cuja tensão nominal em triângulo coincide com a tensão nominal
entre fases da rede alimentadora [5].
Como o conjugado de partida fica muito reduzido na fase de ligação em
estrela, só se deve usar chave estrela-triângulo quando o motor tiver conjugado elevado,
para partida a plena carga, somente quando as cargas forem leves.
Chaves compensadoras de partida são chaves automáticas utilizadas em carga
de motores trifásicos com rotor em gaiola. Reduzem a corrente de partida, evitando
sobrecarregar-se a rede alimentadora. Deixam, porém, o motor com um momento
suficiente para o arranque, embora o reduzam em cerca de 64% [5].
Na partida, um contator liga em estrela um autotransformador e, por um
contator auxiliar, liga um relé de tempo. A tensão na chave compensadora é reduzida
através de um autotransformador com taps para 50, 65 e 80% da tensão normal [5]. O
motor parte, assim, em tensão reduzida. Após o tempo ajustado para a entrada do motor
na velocidade nominal, o relé de tempo desliga o contator e introduz no circuito um
outro contator, o qual liga o motor diretamente à rede. São usados na partida de
compressores, britadores, calandras, bombas helicoidais e axiais e grandes ventiladores.
Podem ser acionadas por botão local ou por chaves de comando.
Com a crescente necessidade na otimização de sistemas e processos
industriais, algumas técnicas foram desenvolvidas, principalmente levando-se em
consideração conceitos e tendências voltados à automação industrial. Olhando para o
passado podemos claramente perceber o quanto estas técnicas tem contribuído para este
fim.
Um dos mais claros exemplos são os sistemas de acionamento para motores de
indução, largamente utilizado em praticamente todos os segmentos, seja ele residencial
ou industrial pela eficiência em minimizar o valor da corrente de partida (figura 1.7) e a
economia de energia que ele nós fornece.
32
Figura 1.7 – Comparativo entre métodos de partida [13].
Em particular nós iremos analisar e avaliar, uma técnica que tornou-se muito
utilizada na atualidade, as chaves de partida soft-starters. Estes equipamentos
eletrônicos vêm assumindo significativamente o lugar de sistemas previamente
desenvolvidos.
6.1 – Critérios para o Dimensionamento de um Soft-Starter
Nesta seção iremos estabelecer os critérios mínimos e necessários para efetuar
o correto dimensionamento de uma chave soft-starter.
Devemos garantir que o motor ao ser acionado por um soft-starter tenha
condições de acelerar a carga da rotação zero até sua rotação nominal (ou próximo
disto) onde haverá então o equilíbrio.
Fisicamente, o motor deverá ser capaz de produzir um conjugado dinâmico tal,
que seja este o suficiente para vencer o conjugado resistente da carga e a inércia
refletida em seu eixo. Como vimos anteriormente, o motor sofre algumas alterações nas
suas características de conjugado em virtude de aplicarmos a ele uma tensão reduzida,
trazendo como principais benefícios a redução da corrente e do conjugado de partida
respectivamente.
Para podermos especificar um soft-starter é muito importante obtermos
algumas informações relacionadas principalmente com as características do motor, da
33
carga, do ambiente, condições de operação, rede de alimentação, acoplamento entre o
motor e a carga. Desta forma trataremos de verificar estes pontos e definir critérios que
nos possibilitem especificar o modelo ideal de chave estática.
Em relação aos aspectos acima expostos devemos levantar os seguintes dados
para o motor:
Corrente nominal;
Potência nominal;
Tensão de alimentação;
Número de pólos;
Algumas observações sobre a instalação da proteção e o acionamento de
vários motores são feitas no Apêndice C.
Devemos frisar com relação aos dados do motor que a mais importante
informação é a corrente nominal, pois a corrente do soft-starter será dimensionada em
relação a ela. Desta forma podemos estabelecer o primeiro critério de dimensionamento
de acordo com a expressão 1.16.
motornomstartersoftnom II ≥− (1.16)
Muitas vezes todas as informações do motor não estarão disponíveis e desta
forma teremos que aplicar fatores para o dimensionamento do soft-starter. Isto por sinal
é muito comum, pois muitas vezes a chave será aplicada em máquinas mais antigas,
retrofitting ou em ampliações das instalações. Partindo desta realidade poderemos
estabelecer duas situações possíveis, uma quando temos todas as informações
disponíveis e outra quando não temos.
Na situação normal não poderemos dispor de informações mais detalhadas,
assim seremos obrigados a considerar critérios de dimensionamento baseados em
resultados empíricos, ou seja, colhidos através da experiência. Dessa forma
estabeleceremos fatores de multiplicação que deverão ser aplicados à corrente nominal
do motor. A tabela 1.3 nos mostra estes fatores.
34
Aplicação Carga Inércia Fator
Bomba Centrífuga Baixa Baixa 1.0 Compressores
(parafuso) Baixa Baixa 1.0
Compressores (alternativo) Média Baixa 1.0
1.2 até 22kW Ventiladores Quadrático Média/Alta
1.5 acima de 22kW
Misturadores Média Média 1.5-1.8
Moinhos Média/Alta Média 1.8-2.0
Transportadores Média/Alta Alta 1.8-2.0
Centrífugas Baixa Muito-Alta 1.8-2.0
Tabela 1.3 – Valores de multiplicação para diversas categorias.
Os valores da tabela 1.3 são válidos para regime de serviço normal, ou seja,
com número de partidas não superior a 10 partidas por hora. Consideramos também, a
inércia e conjugado resistente da carga referidos ao eixo do motor.
Vamos considerar um motor WEG, 175cv – 4 pólos – 380V – 60Hz.
Acionando uma bomba centrífuga em uma estação de tratamento de água.
Devemos considerar a corrente nominal do motor.
Procurando as informações necessárias no catálogo de motores para o cálculo
encontramos Inom = 253,88 A;
Pelo critério da tabela 1.3 vemos que devemos considerar o fator 1.0;
Logo o soft-starter indicado para este caso é o SSW-03.255/220-440/2 (ver
catálogo).
Não há dúvida que esta maneira de dimensionar as chaves soft-starters é muito
mais simples, porém ela torna-se muito vulnerável a erros, já que em virtude das poucas
informações oferecidas é muito difícil garantir o acionamento. Nestes casos é sempre
oportuno consultar o fabricante do soft-starter para que este possa avaliar melhor a
situação e assim indicar uma solução mais adequada.
35
6.2 - Aplicações de Inversores de Freqüência em Motores de
Indução Trifásicos
O uso de motores elétricos de indução alimentados por inversores de
freqüência para acionamento de velocidade variável tem crescido significativamente nos
últimos anos em virtude das vantagens inerentes proporcionadas por esta aplicação, tais
como a facilidade de controle, a economia de energia e a redução no preço dos
inversores, liderada pelo desenvolvimento de componentes eletrônicos cada vez mais
baratos. Tais acionamentos são aplicados principalmente em bombas, ventiladores,
centrífugas e bobinadeiras.
As características construtivas de um motor de indução alimentado por uma
rede senoidal são determinadas em função das características desta rede, das
características da aplicação e das características do meio ambiente. No entanto, quando
alimentado por inversor de freqüência, também as características próprias do inversor
exercem significativa influência sobre o comportamento do motor, determinando-lhe
novas características construtivas ou de operação.
Outra influência sobre as características construtivas do motor alimentado por
inversor de freqüência está relacionada com o tipo de aplicação, mais especificamente
com a faixa de velocidade na qual o motor irá trabalhar. Observa-se, portanto, que
existem diferenças na maneira de especificar um motor de indução sem variação de
velocidade alimentado por uma rede senoidal e um motor com variação de velocidade
alimentado por inversor de freqüência.
As seguintes características devem ser observadas quando for utilizado um
inversor de freqüência:
Corrente nominal:
O inversor deverá ter sempre a sua corrente nominal igual ou maior que a
corrente nominal do motor. Deve-se tomar cuidado porque um mesmo inversor poderá
ter várias correntes nominais diferentes em função do tipo de carga e da freqüência de
chaveamento. Normalmente existem dois tipos de carga: torque constante e torque
variável.
36
A carga tipo torque constante é aquela onde o torque permanece constante ao
longo de toda a faixa de variação de velocidade como, por exemplo, correias
transportadoras, extrusoras, bombas de deslocamento positivo, elevação e translação de
cargas. A carga tipo torque variável é aquela onde o torque aumenta com o aumento da
velocidade, como é o caso de bombas e ventiladores centrífugos. Os inversores
especificados para cargas com torque variável não necessitam de uma grande
capacidade de sobrecarga (10% a 15% é suficiente) e por isso a sua corrente nominal
pode ser maior. Este mesmo inversor, se aplicado em uma carga com torque constante,
necessitará de uma capacidade de sobrecarga maior (normalmente 50%) e, portanto, a
sua corrente nominal será menor [14].
A freqüência de chaveamento também influi na corrente nominal do inversor.
Quanto maior a freqüência de chaveamento do inversor, mais a corrente se aproxima de
uma senóide perfeita e, por isso, o ruído acústico de origem magnética gerado pelo
motor é menor. Por outro lado, as perdas no inversor são maiores devido ao aumento na
freqüência de operação dos transistores (perdas devido ao chaveamento). Normalmente
a corrente nominal é especificada para uma temperatura máxima de 40ºC e uma altitude
máxima de 1000m. Acima destes valores deverá ser aplicado um fator de redução na
corrente nominal.
Tensão nominal:
A tensão nominal do inversor é a mesma do motor. A alimentação do
conversor é trifásica para potências acima de 5cv. Até 3cv pode-se ter alimentação
monofásica ou trifásica. A desvantagem da alimentação monofásica é o desequilíbrio de
corrente causado na rede de distribuição (trifásica) e a maior geração de correntes
harmônicas na rede.
Para alimentação trifásica deve-se cuidar para que o desbalanceamento entre
fases não seja maior do que 2%, uma vez que um desbalanceamento maior pode
provocar um grande desbalanceamento de corrente na entrada, danificando os diodos de
entrada.
37
Geração de harmônicas:
A norma IEEE STD 519/92 recomenda valores máximos para as harmônicas
de corrente geradas por um equipamento. Na maioria dos casos é possível atender à
norma desde que se coloque na entrada do inversor uma reatância de rede dimensionada
para uma queda de tensão de 4% em relação à tensão fase-neutro, com corrente
nominal; e desde que a potência total dos inversores instalados não ultrapasse a 20% da
potência total da instalação. Se ultrapassar, haverá necessidade de outras medidas que
dependerão de uma análise detalhada da instalação (sistema) elétrica.
Compatibilidade eletromagnética:
Para altas freqüências de chaveamento (acima de 9kHz), o inversor atua como
“gerador” não intencional. Isto significa que equipamentos sensíveis às altas freqüências
(por exemplo, controladores de temperatura a termopar, sensores diversos etc.) podem
sofrer perturbação na sua operação devido ao inversor. Deve-se, portanto, verificar no
manual do inversor os cuidados a serem tomados na sua instalação, para que se evite
problemas de compatibilidade eletromagnética.
No Apêndice B esclarecemos alguns pontos importantes na instalação de um
inversor de freqüência.
38
7 - Análise Econômica em Conservação de Energia
As decisões de investimento em alternativas e projetos de economia e uso
eficiente da energia passam, necessariamente, por uma análise de viabilidade
econômica. Tais questões podem se apresentar de duas formas: ou deseja-se decidir
sobre a escolha entre duas alternativas mutuamente excludentes, ou deseja-se conhecer a
economia de uma dada alternativa.
Estas análises, em geral, utilizam-se de índices econômicos que permitem
traduzir a atratividade de um investimento. Dentre estes índices pode-se destacar o valor
presente líquido, o valor anual uniforme, a taxa interna de retorno e o tempo de retorno
de capital. Para a execução de tais análises procura-se moldar o problema real em uma
forma padrão, um fluxo de caixa, o que permite utilizar-se de certas equações
previamente concebidas e, assim, avaliar economicamente o projeto.
O fluxo de caixa é uma maneira simplificada de se representar graficamente as
receitas e as despesas de um projeto ao longo do tempo. Nesta modelagem, tudo o que
for ganho, benefício, receita e semelhantes, é representado por uma seta apontando para
cima. Por outro lado, tudo o que for gasto, despesa, investimento, custos é representado
por uma seta para baixo. A figura 1.8 apresenta um fluxo de caixa onde foi feito um
investimento I no instante zero (seta para baixo) que resultará em um retorno anual A
(seta para cima) durante n períodos de tempo, ou em um valor futuro F após este mesmo
período.
Figura 1.8 – Exemplo de fluxo de caixa.
39
A unidade de tempo utilizada pode ser qualquer uma. Análises anuais e
mensais são mais comuns, uma vez que a maturação destes projetos normalmente está
inserida dentro deste período de tempo.
Neste ponto é importante introduzir o que vem a ser a taxa de juros i. O
conceito da taxa de juros procura exprimir o que vem a ser o “valor do dinheiro”. Por
exemplo, desprezada qualquer inflação, para um indivíduo, mais vale receber mil reais
hoje do que esperar para receber daqui a um ano. Esta é uma questão bastante intuitiva e
individual, pois, pois na verdade, cada um sabe o quanto estaria disposto a receber por
esperar. Considerando a taxa de juros como sentido um prêmio para que este indivíduo
espere para receber o que lhe é devido, pode-se usar a taxa de juros para relacionar o
valor futuro F com o valor presente P (equação 1.17).
)1( iPiPPF +×=×+= (1.17)
Quando se considera mais de um período de tempo, ou seja, para n períodos,
obtém-se a equação 1.18.
niPF )1( +×= (1.18)
No caso da análise de investimento com várias anualidades o valor futuro será
dado pela soma das contribuições de cada anuidade corrigida pela taxa de juros. Se as
anuidades e os intervalos de tempo forem iguais, caracterizando a chamada série
uniforme, pode-se obter uma equação generalizada (equação 1.19).
iiAF
n 1)1( −+×= (1.19)
Combinando-se as equações 1.18 e 1.19 obtemos importantes relações.
( )( ) 111
−+×+
= n
n
iiiFRC (1.20)
40
n
n
iiiFVP
)1(1)1(
+×−+
= (1.21)
CEFRCCA ×= (1.22)
Em que FRC é o fator de recuperação do capital (decimal), FVP é o fator de
valor presente, i é a taxa de juros (decimal), n é período de amortização (anos ou
meses), CA é o custo anualizado (R$ ano-1) ou mensal (R$ mês-1) e CE é o custo do
equipamento (R$).
Podemos considerar duas situações para aquisição de um equipamento:
Através de financiamento, gerando-se anuidades, sob dada taxa de
juros, suficientes para pagamento no tempo estipulado pelo contrato que, normalmente,
está em torno de 5 anos;
Aquisição sem necessidade de empréstimo, podendo-se amortizar ao
longo de toda a vida útil do equipamento que, conforme fabricante, é de 15 anos.
Nesta última situação os retornos deverão ser superiores a aqueles gerados por
aplicações financeiras compatíveis com o valor do equipamento, como caderneta de
poupança, que atualmente possui taxas anuais de 6%.
7.1 – Tempo de Retorno de Capital
Para uma análise de viabilidade econômica de motores, o critério do tempo de
retorno de capital, ou payback, é sem dúvida o mais difundido no meio técnico,
principalmente devido à sua facilidade de aplicação. Nestes termos fala-se do chamado
payback não descontado, isto é, um procedimento de cálculo onde não se leva em
consideração o custo de capital, ou seja, a taxa de juros. Essa análise é feita apenas
dividindo-se o custo da implantação do empreendimento pelo benefício auferido. Em
outras palavras, este critério mostra quanto tempo é necessário para os benefícios se
igualem ao investimento.
A avaliação consiste da comparação entre os benefícios e os custos, ambos
mensais. Os benefícios foram calculados a partir da redução de energia consumida
41
devido ao uso do motor de alto rendimento ao longo do mês; este cálculo consiste da
determinação da redução de consumo de energia produzida pelo equipamento em
relação ao motor de baixo rendimento, multiplicando-a pelo tempo de funcionamento
durante o ano e pelo preço da energia.
O tempo de retorno descontado é o número de períodos que zera o valor
líquido presente, ou anual, do empreendimento. Neste caso, a taxa de juros adotada é o
próprio custo de capital.
Igualando o valor presente a zero, tem-se a expressão 1.23.
Iii
iA n
n
−+×−+
×)1(1)1( (1.23)
O tempo de retorno do capital pode ser calculado algebricamente a partir da
expressão 1.23, no que resulta a equação 1.24.
( ))1ln(
1lni
iAIn+
×−−= (1.24)
Sendo:
n retorno do capital, em n período;
I investimento feito no instante zero, em R$;
A retorno por período, em R$;
i taxa de juros, em decimal.
42
Capítulo 2
Manual do Usuário do Programa Prosk2003
1 – Apresentação
Neste capítulo iremos apresentar um guia do usuário, demonstrando de uma
melhor forma o método de utilização deste software através de exemplos, mostrando a
grande excelência deste produto para o dimensionamento de um sistema de captação de
água.
O Prosk2003 é uma ferramenta importante para o desenvolvimento e
implementação da otimização e eficientização dos sistemas de captação de água, o qual
oferece ao usuário um ambiente interativo e de fácil configuração. No dimensionamento
do sistema de captação de água é utilizada a seqüência de métodos descritos no capítulo
1.
Na construção do programa foi utilizada a ferramenta de programação
DELPHI, trabalhando com o banco de dados Paradox.
Para dar início ao programa vá à tela inicial do Windows clique, botão Iniciar
→ Programas → Prosk2003.
Figura 2.1 – Iniciando o Prosk2003.
43
2 – Ambiente de Trabalho
Ao carregar o programa Prosk2003, a barra de menu e ferramentas estará
distribuída de acordo com a figura 2.2.
Figura 2.2 – Barra de menu e ferramentas.
O uso da barra de ferramentas pode ser útil para o acesso rápido aos comandos
utilizados com maior freqüência.
No menu Projeto (figura 2.3), podemos dar inicio a um novo projeto:
Com tubulação pré-existente: para sistema de recalque já
implementado, no qual iremos apresentar o correto dimensionamento do conjunto moto-
bomba e a seleção do sistema de acionamento;
Sem tubulação pré-existente: além do dimensionamento citado na
opção acima teremos o cálculo do diâmetro da tubulação de recalque e sucção através
do método do diâmetro econômico.
Figura 2.3 – Novo projeto.
44
Em menu Cadastro (figura 2.4) temos a alternativa de alterar o banco de dados
presente no programa, adicionando ou removendo tipos de componentes, motores,
inversores, soft-starters e tubos.
Figura 2.4 – Menu cadastro.
Indo em Cadastro → Componentes ou peças podemos observar que temos a
opção de excluir, alterar ou adicionar um novo componente com seu respectivo número
de diâmetro (figura 2.5).
Figura 2.5 – Cadastro de componentes ou peças.
O mesmo acontece no cadastro de motores (figura 2.6), onde podemos
adicionar novos itens discriminados por fabricante, número de pólos, rotação,
rendimento e fator de potência. Tendo motores trifásicos de alto rendimento e Standard
como alternativa de melhor escolha para o projeto de sistema de recalque.
Em Cadastro → Tubos (figura 2.7) podemos alterar itens, acrescentando ou
excluindo tipos de tubos com seu respectivo coeficiente de rugosidade, mantendo o
banco de dados atualizado.
45
Figura 2.6 – Cadastro de motores.
Figura 2.7 – Cadastro de tubos.
Na opção Cadastro → Inversores podemos acrescentar novos modelos através
da opção Novo (figura 2.8), além de alterar a configuração do modelo já presente ou
fazer uma busca de um modelo.
Figura 2.8 – Cadastro de Inversores.
46
Para Cadastro → soft-starters temos as mesmas opções de configuração e
busca de elementos (figura 2.9).
Figura 2.9 – Cadastro de Soft-Starters.
Figura 2.10 – Menu ferramentas.
No menu Ferramentas (figura 2.10) o programa oferece algumas opções,
dentre elas:
Análise econômica aplicada a motores de indução trifásicos num
cenário de conservação de energia.
Na análise econômica o programa através do método do payback descontado
apresenta uma comparação de tempo de retorno do investimento feito em um motor de
alto rendimento em relação a um comum. Com está análise podemos determinar a
melhor escolha de motor para o nosso sistema de captação de água. Para fazer a análise
devemos selecionar os dois motores no banco de dados presente no programa, ou digitar
manualmente os dados dos motores.
47
Nesta análise vamos considerar que os motores estão funcionando a plena
carga, ou seja, fornecendo 100% de sua potência nominal (ponto ótimo de rendimento)
com um funcionamento em regime contínuo.
Com um motor de alto rendimento WEG 75cv – 1775rpm e um Standard
WEG 75cv – 1770rpm, trabalhando a uma carga de 12 horas por dia, apresentando um
custo de R$ 3100 e 1800 respectivamente, teremos como resultado da análise
econômica a figura 2.11.
Figura 2.11 – Resultados da análise econômica.
Observando na figura 2.11 vemos que o motor de alto rendimento tem uma
economia de R$ 37,47 por mês em relação ao motor Standard, compensando de certa
forma seu valor superior de R$ 1300. Na escolha do motor de alto rendimento teremos o
retorno do investimento em 50 meses, podendo ser uma boa alternativa.
48
Gerador de gráfico pelo método dos mínimos quadrados.
Esta ferramenta é de grande utilidade para situações onde o usuário necessita
plotar alguma curva. Com no mínimo de três pontos o programa interpola uma equação
de 2° grau que mais se aproxima dos pontos inseridos (figura 2.12).
Quanto mais pontos forem inseridos, melhor será a aproximação da curva
desejada.
Figura 2.12 – Gerador de gráfico.
Nas próximas seções apresentaremos dois exemplos de dimensionamento de
sistema de recalque utilizando o programa.
49
3 – Exemplo de Dimensionamento de um Sistema de Recalque
sem Tubulação Pré-existente
Vamos iniciar o exemplo de uma instalação de recalque sem tubulação pré-
existente, na qual o objetivo é dimensionar uma instalação para atender a demanda de
200m3/h de vazão durante 24hs/dia, bombeando a uma altura de 24m.
Para dá inicio ao projeto vá em Novo projeto → Sem tubulação pré-existente.
A simulação consiste em 6 passos que devem ser navegados através dos botões Passo
anterior e Próximo passo.
• Passo 1
No Passo 1 temos os parâmetros e a configuração do sistema que devem ser
preenchidos de acordo com o projeto a ser aplicado (figura 2.13).
Figura 2.13 – Projeto de sistema de recalque sem tubulação pré-existente.
50
Começamos preenchendo os dados do sistema, como a vazão requerida de
200m3/h, velocidade da água de 1,5m/s, altitude do local de 900m e a temperatura da
água de cerca de 25°C.
Na parte de sucção usaremos uma tubulação de ferro fundido novo com a
posição da bomba acima do nível do poço de sucção (bomba de sucção positiva)
possuindo a composição da tabela 2.1.
Quantidade Sucção 1 Válvula de pé com crivo 1 curva de 90°
6 m comprimento da tubulação 2 m altura de sucção
Tabela 2.1 – Componentes da linha de sucção.
Para inserir um elemento pertencente à linha de sucção basta clicar no botão
na janela Componentes ou peças na sucção (figura 2.14) e acrescentar com
a quantidade correspondente.
Figura 2.14 – Inserindo componentes na linha de sucção.
Feito a configuração da parte de sucção partimos para a linha de recalque a
qual também utilizaremos uma tubulação de ferro fundido novo. A composição da linha
de recalque é de acordo com a tabela 2.2.
51
Quantidade Recalque 1 Válvula de retenção 3 curvas de 90° 2 curvas de 45° 1 registro de gaveta 1 saída de tubulação
1000 m comprimento da tubulação 24 m altura do recalque
Tabela 2.2 – Componentes da linha de recalque.
Para a configuração da linha de recalque proceda-se da mesma forma,
entrando com os valores da altura de recalque, comprimento, tipo de tubulação e os
componentes.
Depois de configurado a linha de recalque e sucção, teremos finalizado este
passo, tendo a tela preenchida de acordo com a figura 2.15.
Figura 2.15 – Parâmetros e configuração do exemplo sem tubulação pré-existente
preenchido.
52
• Passo 2
No Passo 2 temos os valores calculados do diâmetro da tubulação para o
dimensionamento da linha de recalque e sucção.
Figura 2.16 – Cálculos obtidos do exemplo sem tubulação pré-existente.
Na parte de cálculos como podemos observar na figura 2.16, os valores
comerciais dos diâmetros de sucção e recalque devem ser fornecidos, respectivamente,
acima do calculado para a sucção e abaixo do calculado para o recalque. Após
preenchidos os valores do diâmetros, clicamos no botão calcular.
Os resultados são apresentados de uma forma que podemos analisar
separadamente os trechos de sucção e de recalque, analisando os valores de perda de
carga parcial de cada linha e o valor total apresentado no sistema (figura 2.17).
Finalizado está parte, agora podemos passar para o próximo passo. No passo
seguinte partimos para a especificação da bomba e determinação do ponto de trabalho.
53
Figura 2.17 – Cálculos obtidos do exemplo sem tubulação pré-existente.
• Passo 3
Através do gráfico de pré-seleção de bombas de uma determinada marca, o
usuário terá informações de quais catálogos consultar a respeito da seleção
propriamente dita. Locando o ponto de trabalho neste gráfico é determinado qual é a
“família” ideal de bombas para o projeto em análise. Como a vazão requerida é de
200m3/h e a altura manométrica e de 42,78m, utilizando o gráfico de pré-seleção da
bomba Mark-Peerless (figura 2.18) encontramos a “família” de bombas RO 16 como
sendo a mais adequada para a situação criada. O modelo escolhido, compatível com o
projeto, possui um diâmetro de rotor de 310mm e rotação de 1750rpm.
Para o correto dimensionamento da bomba evitando o fenômeno da cavitação
deve-se obter o NPSHrequerido diretamente da curva característica correspondente do
modelo da bomba escolhida, e compará-la com o NPSHdisponível calculado pelo
programa. Consulte no catálogo o gráfico NPSHrequerido versus Vazão da bomba
54
selecionada (figura 1.5) e verifique para o valor da vazão de projeto o valor do
NPSHrequerido e compare com o NPSHdisponível, observe que a condição NPSHdisponível >
NPSHrequerido deve ser verdadeira para que não haja problemas de cavitação. Neste caso
a bomba Mark-Peerless modelo RO 16 possui, de acordo com a curva característica, um
NPSHrequerido = 0,8m, sendo menor do que o NPSHdisponível calculado pelo programa.
Figura 2.18 – Gráfico de pré-seleção da bomba Mark-Peerless.
Depois de escolhido a bomba podemos inserir os dados informativos sobre ela
na parte inferior da tela do Passo 3 (figura 2.19).
Figura 2.19 – Dados da bomba escolhida.
55
• Passo 4
No Passo 4 consulte no catálogo o gráfico altura manométrica versus vazão da
bomba selecionada (figura 2.20) e forneça algumas coordenadas sobre esta curva para
que o programa possa encontrar, através do método dos mínimos quadrados, uma
equação aproximada da curva da bomba para que se possa calcular o ponto de trabalho
fazendo a interseção da curva da bomba com a curva do sistema.
Figura 2.20 – Gráfico Altura manométrica versus Vazão da bomba Mark-Peerless.
Para achar a aproximação da curva da bomba o programa precisa no mínimo
de três pontos, sendo que quanto maior for o número de pontos fornecidos maior será a
precisão da equação, chegando a uma interpolação da curva satisfatória.
Vazão Altura manométrica Vazão Altura manométrica 0 49 200 44,5 50 48,5 250 40,5
100 48 300 35 150 47 350 26
Tabela 2.3 – Pontos da curva da bomba para o sistema sem tubulação existente.
Depois do cálculo da equação aproximada da curva da bomba podemos
determinar o ponto de trabalho através da intersecção da curva do sistema com a da
56
bomba. No Passo 4 o programa traçará os dois gráficos, determinando assim o ponto de
trabalho da bomba (figura 2.21 e 2.22).
Figura 2.21 – Intersecção das curvas do sistema com a da bomba.
Figura 2.22– Ponto de projeto para o exemplo sem tubulação pré-existente.
Com as curvas traçadas temos o ponto de trabalho da bomba para o correto
dimensionamento da mesma. Se houver uma grande diferença entre os valores do ponto
de trabalho e o do ponto de projeto, podemos contornar esta diferença com um dos três
procedimentos abaixo:
Curva do Sistema Curva da Bomba Ponto de Trabalho Pontos inseridos
Vazão [m³/h]350300250200150100500
Altu
ra m
anom
étric
a [m
]
545250484644424038363432302826
57
Controlar a vazão através de um inversor ou soft-starter, reduzindo
assim à quantidade de vazão desejada através do controle de velocidade
Alterar o diâmetro do rotor, mantendo-se a rotação constante
Alterar a rotação do rotor, mantendo-se o diâmetro constante
• Passo 5
No Passo 5 temos a escolha do motor trifásico (figura 2.23), apresentando dois
tipos de classes de motores com tensão de 380V:
Motor trifásico de Alto rendimento
Motor trifásico Standard
Figura 2.23 – Resultado da escolha do motor para o exemplo sem tubulação pré-
existente.
Antes de iniciar o próximo passo devemos fornecer o valor do rendimento da
bomba escolhida, o qual é obtido através de um gráfico vazão versus rendimento
58
fornecido pelo fabricante. No caso da bomba Mark-Peerless modelo RO 16 o
rendimento é de 77%. Com o rendimento da bomba conhecido é calculado o valor da
potência requerida pelo sistema de 41cv.
Para este sistema de recalque escolhemos o motor WEG 50cv − 1770rpm alto
rendimento. Para o acionamento do motor temos opções de soft-starters ou inversores.
Para a efetuar a escolha basta clicar e marcar o equipamento correspondente.
Para o dimensionamento do soft-starter é considerado o método apresentado
no item 6.1. O programa apresentou segundo este mesmo método dois modelos de soft-
starters como opção dentre os presentes no banco de dados (figura 2.24).
Figura 2.24 – Escolha do motor.
No caso do inversor basta proceder da mesma forma e vamos obter o modelo
WEG 0086 T 3848 P S para o motor WEG 50cv.
59
• Passo 6
Neste passo é apresentado um relatório com os principais resultados obtidos
no dimensionamento do sistema de recalque.
Sistema: Vazão: 200 [m³/h] Velocidade da água: 1,5 [m/s] NPSH disponível: 6,518 [m] Perda de carga total: 16,777 [m] Altura manométrica: 42,777 [m] Ponto de trabalho da bomba: Hm=43,746 [m] ; vazão=206,155 [m³/h] Potência requerida: 41,030 [cv] Sucção: Tipo de tubulação: Ferro fundido, novo Comprimento da tubulação: 6 [m] Diâmetro da tubulação: 250 [mm] Recalque: Tipo de tubulação: Ferro fundido, novo Comprimento da tubulação: 1000 [m] Diâmetro da tubulação: 200 [mm] Bomba escolhida: Fabricante: Mark-Peerless Modelo: RO 16 NPSH requerido: 0,8 [m] Rendimento: 77 % Motor e acionamento escolhidos Motor: WEG, 50 cv, 4 pólos, 1770 rpm Padrão: Standard Soft-starter: Weg SSW-04 85/220-440, 60 cv, 85 A Inversor: Weg 0086 T 3848 P S, 60 cv, 86 A
60
4 – Exemplo de Dimensionamento de um Sistema de Recalque
com Tubulação Pré-existente
No caso de um sistema de recalque com tubulação pré-existente vamos
exemplificar um dimensionamento de um sistema de captação de água de uma indústria
alimentícia, na qual a água é utilizada em diversos pontos de sua linha de produção,
quer simplesmente para a lavagem de matéria-prima, seja na esterilização e
resfriamento, ou na preparação de produtos e produção de vapor.
A captação de água bruta é feita no córrego que passa nas vizinhanças da
empresa. No período chuvoso, durante cerca de quatro meses ao ano, é necessário que a
água bruta passe por um pré-tratamento, que é feito numa estação de tratamento local
(ETA). O nosso objetivo é efetuar o dimensionamento desses dois subsistemas (MB1 e
MB2). O Apêndice D ilustra o esquema de captação detalhado da empresa.
Medições e observações foram efetuadas na empresa, especificamente nos
locais da captação até o reservatório principal a partir do qual a água é distribuída para
atender as aplicações (tabela 2.4).
Dados do sistema de sucção (MB1) Medidas (m) Componentes Quant.
Comprimento do primeiro trecho de ferro 12" 2,2 Entrada normal 2 Comprimento do segundo trecho de ferro 8" 1,5 Válvula de pé com crivo 1
Ampliação 1 Dados do sistema de recalque de água bruta (MB1) Medidas (m) Componentes Quant.
Comprimento trecho OA em ferro de 8" 20,0 Junção 2 Comprimento trecho AB em PVC de 10" 90,0 Curvas de 90° 7 Comprimento trecho BD em PVC de 10" 90,0 Te, passagem direta 3 Comprimento trecho BC em ferro de 8" 30,0 Saída de tubulação 3
Desnível do sistema 23,2 Válvula de retenção 4 Dados do sistema de recalque de água pré-tratada (MB2)
Medidas (m) Componentes Quant.Comprimento trecho CB em ferro 8" 63,0 Curva de 90° 8 Comprimento trecho AD em PVC 10" 180,0 Válvula de retenção 3
Desnível do sistema 18,8 Registro de gaveta 1 Te, passagem direta 3 Saída de tubulação 2 Entrada normal 1
Tabela 2.4 – Dados colhidos sobre o sistema de captação de água.
61
A vazão requerida para o recalque da água é de 400m3/h. A temperatura da
água e de cerca de 20°C, com altitude do local de 600m em relação ao nível do mar e
tendo a posição da bomba acima do nível do poço de sucção (bomba de sucção
positiva).
Em ambas as instalações hidráulicas, as tubulações de sucção e de recalque
apresentam diâmetros diferentes, inclusive apresentando tubulações com rugosidades
distintas. Por esta razão, é necessário trabalhar com condutos equivalentes no cálculo
das perdas de carga distribuídas (Apêndice A).
Para dar início a um novo projeto vá para Novo projeto com tubulação pré-
existente (figura 2.25).
Figura 2.25 – Novo projeto com tubulação pré-existente.
Na tela seguinte devem ser preenchidos os parâmetros iniciais do projeto de
recalque. Na parte de sucção e recalque deve-se fornecer o número de trechos em série
presentes em cada linha separadamente com sua respectiva altura geométrica. A divisão
por trechos serve para o correto dimensionamento da instalação, pois teremos todos os
dados necessários para calcular as perdas de carga, a qual levam em conta o tipo de
tubulação, diâmetro e os diversos componentes presentes.
Uma tubulação pode ser dividida por trecho levando em consideração no
processo de diversificação algumas características distintas como o diâmetro do tubo,
tipo de tubulação, componentes e disposição dos tubos. Como exemplo temos a figura
2.26, onde vemos uma tubulação dividida em dois trechos, onde o primeiro possui dois
tubos em paralelo, ambos com diâmetro de 12” e sendo de ferro fundido novo. O
segundo trecho apresenta um tubo de ferro fundido novo com diâmetro de 8”. Neste
caso os trechos são divididos devido à disposição e diâmetro distinto deles.
62
Figura 2.26 – Esquema da tubulação de sucção.
Figura 2.27 – Esquema da tubulação de recalque do subsistema MB1.
63
4.1 – Subsistema MB1
A figura 2.26 representa a tubulação de sucção do sistema, onde já sabemos
que é composto de dois trechos. A tubulação de recalque para o subsistema MB1 é
ilustrada na figura 2.27. Neste caso deverá ser considerado o pior caso já que, por cerca
de quatro meses ao ano, a água bruta é desviada para o reservatório de pré-tratamento e,
nos demais meses, passa diretamente para o reservatório principal.
Na tubulação de recalque teremos dois casos distintos: quando a água percorre
o caminho OC para passar pelo tanque de tratamento e quando não é necessário fazer o
tratamento, percorrendo assim o caminho OD. Para o primeiro caso tem-se a
configuração de três trechos divididos em OA, AB e BC. No segundo percurso quando a
água não precisa de tratamento temos dois trechos definidos em OA e AD.
Partimos para a execução do primeiro caso preenchendo os parâmetros do
sistema (figura 2.28) e indicando o número de trechos para a sucção e o recalque,
lembrando que neste projeto iremos considerar a posição da bomba acima do poço de
sucção.
Figura 2.28 – Parâmetros do sistema MB1.
64
Para a linha de sucção e recalque medições foram efetuadas na empresa,
especificamente nos locais da captação até o reservatório principal a partir do qual a
água é distribuída para atender as aplicações. Os dados colhidos no local estão
apresentados na tabela 2.4. Um dos resultados medidos foi o desnível da sucção de 2,2m
e de 8,2m para o recalque utilizando o trajeto OC.
Figura 2.29 – Configuração dos trechos.
Quantidade Sucção 1 Entrada normal 1 Válvula de pé com crivo 1 Ampliação 2 Tubos em paralelo
2,2 m comprimento da tubulação
Tabela 2.5 – Componentes do primeiro trecho da sucção
65
Passando para a fase de configuração do sistema (figura 2.29) teremos que
definir o tipo de tubulação e os componentes presentes para cada trecho, além do
diâmetro e disposição dos tubos.
Para o primeiro trecho de sucção (figura 2.30) temos a composição de acordo
com a tabela 2.5.
Entrando com os componentes através do botão inserir (figura 2.30) teremos
configurado o primeiro trecho de acordo com a tabela 2.5.
Figura 2.30 – Configuração do primeiro trecho da sucção.
Para o segundo trecho temos a tabela 2.6 e a figura 2.31.
Quantidade Sucção 1 Entrada normal
1,5 m comprimento da tubulação
Tabela 2.6 – Componentes do segundo trecho da sucção.
Figura 2.31 – Configuração do segundo trecho da sucção.
66
Para a linha de recalque temos os seguintes trechos:
Trecho AO: tubulação de ferro fundido em uso, apresentando um diâmetro de 8”.
Quantidade Recalque Trecho OA 1 Saída de tubulação 1 Válvula de retenção 2 Curva de 90° 1 Te, passagem direta 1 Junção
20 m comprimento da tubulação
Tabela 2.7 – Componentes da linha de recalque trecho OA.
Trecho AB: tubulação de PVC com diâmetro de 10”.
Quantidade Recalque Trecho AB 1 Curva de 90° 1 Junção 1 Te, passagem direta
90 m comprimento da tubulação
Tabela 2.8 – Componentes da linha de recalque trecho AB.
Trecho BC: tubulação de ferro fundido em uso com diâmetro de 8”.
Quantidade Recalque Trecho BC 1 Junção 2 Válvula de retenção 1 Saída de tubulação
30 m comprimento da tubulação
Tabela 2.9 – Componentes da linha de recalque trecho BC.
Depois de configurados todos os trechos, podemos analisar os resultados
obtidos através da figura 2.18.
Na tela de resultados podemos analisar separadamente os valores de perda de
carga unitária e parcial de cada trecho.
67
Figura 2.32 – Resultados das linhas de sucção e recalque OC.
No caso quando a água não precisa de tratamento, tendo assim percorrer o
caminho OD, temos a configuração de dois trechos para o recalque, permanecendo a
mesma configuração para a sucção e o trecho OA. Portanto temos que somente
modificar a altura do recalque na tela de parâmetros iniciais e a configuração dos
trechos 2 e 3 do recalque. O desnível para o trecho AD medido foi de 23,2m tendo os
componentes da tabela 2.10 para o trecho AD.
Quantidade Recalque Trecho AD
1 Saída de tubulação 1 Válvula de retenção 5 Curva de 90° 2 Te, passagem direta 1 Junção
180 m comprimento da tubulação
Tabela 2.10 – Componentes da linha de recalque trecho AD.
68
Figura 2.33 – Configuração do trecho AD.
Verificamos que a partir dos cálculos feitos que a potência do motor requerida
no sistema é pior na situação que corresponde ao trajeto OD, a qual nos forneceu uma
maior perda de carga somada a altura manométrica.
De acordo com o calculado temos uma altura manométrica de 36.6m para uma
vazão de 400m3/h, dados suficientes para localizar o tipo de bomba necessário para este
projeto através de um catálogo. Vamos utilizar uma bomba modelo KSB Meganorm
1750rpm. Na figura 2.35 temos o gráfico de pré-seleção deste modelo de bomba onde
podemos observar que o tipo a ser aplicado e a Meganorm 125-315.
Figura 2.34 – Resultados das linhas de sucção e recalque OD.
69
.
Figura 2.35 – Gráfico de pré-seleção da bomba KSB [11].
Para o correto dimensionamento da bomba evitando o fenômeno da cavitação
devem-se obter o NPSHrequerido diretamente da curva característica correspondente do
modelo de bomba escolhida e compara-la com o NPSHdisponível calculado pelo programa.
Consulte no catálogo o gráfico NPSHrequerido versus vazão da bomba selecionada e
verifique para o valor da vazão de projeto o valor do NPSHrequerido e compare com o
NPSHdisponível, observe que a condição NPSHdisponível versus NPSHrequerido deve ser
verdadeira para que não haja problemas de cavitação. Neste caso a bomba KSB modelo
Meganorm 125-315 possui de acordo com a curva característica (figura 2.36) um
NPSHrequerido = 4,25m, sendo menor do que o NPSHdisponível calculada pelo programa.
Através do gráfico da bomba (figura 2.36) extraímos o valor do rendimento da
mesma, 79%. Do mesmo gráfico obtemos o diâmetro do rotor de 319 e os pontos
necessários para determinação da aproximação da curva da bomba para obter o ponto de
operação.
70
Figura 2.36 – Gráfico da bomba KSB modelo Meganorm 125-315 [11].
Vazão Altura manométrica0 52,5 50 52,5
100 52,0 150 51,5 200 50,5 250 48,5 300 45,5 350 42,5
Tabela 2.11 – Pontos para a interpolação do gráfico da bomba.
Inserindo os pontos (tabela 2.11) nos dados do projeto podemos agora passar
para a Passo 5 onde temos o ponto de trabalho e a interseção das curvas do sistema com
a da bomba. Neste projeto obtivemos o ponto de operação da bomba bem próximo ao do
projeto (figura 2.37 e 2.38).
71
Figura 2.37 – Interseção dos gráficos da bomba e do sistema para o subsistema MB1.
Figura 2.38 – Ponto de trabalho do subsistema MB1.
No Passo 6, com o valor do rendimento da bomba igual a 79%, obtemos a
potência mecânica necessária de 70,49cv. Após feitos a escolha do motor e seu sistema
de acionamento podemos passar para o Passo 7, onde teremos um relatório.
72
Sistema: Vazão: 400 [m³/h] NPSH disponível: 6,199 [m] Perda de carga total: 12,256 [m] Altura manométrica: 37,656 [m] Potência requerida: 70,495 [cv] Sucção: Nº de trechos: 2 Perda de carga: 0,958 [m] Recalque: Nº de trechos: 2 Perda de carga: 11,299 [m] Bomba escolhida: Fabricante: KSB Modelo: Meganorm 125-315 NPSH requerido: 4,25 [m] Rendimento: 79 % Motor e acionamento escolhidos Motor: Siemens, 75 cv, 4 pólos, 1800 rpm Padrão: Standard Soft-starter: Siemens 3RW22 21-1AB15, 100 cv, 135 A Inversor: Weg 0142 T 3848 P S, 100 cv, 142 A
73
4.2 – Subsistema MB2
No subsistema MB2, mostrado pela figura 2.39, temos o recalque da água do
tanque de pré-tratamento para o reservatório. Os parâmetros iniciais são o mesmo do
subsistema MB1, diferenciando somente na configuração dos trechos. Na sucção temos
a presença de somente um trecho que interliga o tanque ao sistema de bombeamento
(moto-bomba), diferente do recalque que apresenta dois trechos com tubos de diâmetro
e componentes diferentes.
Figura 2.39 – Esquema da linha de recalque e sucção do subsistema MB2.
A sucção apresenta tubo de ferro fundido em uso com diâmetro de 8” e
componentes de acordo com a tabela 2.12.
Quantidade Sucção 1 Curva de 90° 1 Válvula de retenção 1 Entrada normal
1 m comprimento da tubulação
Tabela 2.12 – Componentes da linha de sucção do subsistema MB2.
74
Trecho CB: tubulação de ferro fundido em uso com diâmetro de 8”
Quantidade Recalque trecho CB
3 Curva de 90° 1 Válvula de retenção 1 Registro de gaveta 1 Te, passagem direta 1 Saída de tubulação
63 m comprimento da tubulação
Tabela 2.13 – Componentes da linha de recalque trecho CB.
Trecho BD: tubulação de PVC com diâmetro de 10”.
Quantidade Recalque trecho BD 4 Curva de 90° 1 Válvula de retenção 2 Te, passagem direta 1 Saída de tubulação
90 m comprimento da tubulação
Tabela 2.14 – Componentes da linha de recalque do trecho BD.
Figura 2.40 – Resultados do subsistema MB2.
Da mesma forma que outros exemplos anteriores procedemos para determinar
a melhor bomba. Do gráfico da figura 2.35 obtêm a bomba KSB modelo Meganorm
125-315 com rotor 319, a mesma utilizada no subsistema MB1. Verificando o NPSH
75
vemos que a condição de cavitação e obedecida. Inserindo os valores da tabela 2.12
temos o ponto de trabalho e o gráfico da figura 2.41.
Figura 2.41 – Gráfico de intersecção das curvas para o subsistema MB2.
Depois de fazer a escolha do motor e o sistema de acionamento no Passo 6
podemos gerar um relatório com o resumo do dimensionamento do nosso sistema.
Sistema: Vazão: 400 [m³/h] NPSH disponível: 5,185 [m] Perda de carga total: 17,446 [m] Altura manométrica: 37,246 [m] Potência requerida: 69,726 [cv] Bomba escolhida: Fabricante: KSB Modelo: Meganorm 125-315 NPSH requerido: 4,25 [m] Rendimento: 79 % Motor e acionamento escolhidos Motor: Siemens, 75 cv, 4 pólos, 1800 rpm Padrão: Standard Soft-starter: Siemens 3RW22 21-1AB15, 100 cv, 135 A Inversor: Weg 0142 T 3848 P S, 100 cv, 142 A
76
Conclusão
No contexto de eficiência energética, é clara a necessidade de investir em
projetos de uso racional da energia elétrica e eficientização das instalações industriais
em geral, sejam elas elétricas, hidráulicas, mecânicas ou em qualquer processo de
industrialização de produtos.
A instalação hidráulica de captação de água numa indústria, para seu
funcionamento, requer o uso da energia elétrica pelos motores elétricos que acionam as
bombas. Constatamos que muito se pode contribuir e efetivamente ser realizado neste
campo para economizar energia e também recursos na aquisição de equipamentos
corretamente dimensionados.
O nosso propósito foi de trabalhar no sentido de mostrar os procedimentos que
levam a um projeto otimizado de um sistema de captação de água juntamente com o
desenvolvimento de um software que utiliza estes procedimentos para o correto
dimensionamento do sistema de recalque, tendo assim colaborado na eficientização das
instalações industriais.
77
Referências Bibliográficas
[1] SILVESTRE, Paschoal. Hidráulica Geral. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e
Científicos Editora S.A, 1982, 316 p., ISBN 85-216-0199-9.
[2] GILES, Ronald V. Mecânica dos Fluidos e Hidráulica. Coleção Schaum. São Paulo:
Editora McGraw-Hill do Brasil, 1980, 412 p.
[3] ESTRELLA, Guillermo Sánchez. Sistema Internacional de Unidades. São Bernardo
do Campo: Editora Andina, 1978, 168 p.
[4] CREDER, Hélio. Instalações Elétricas. Rio de Janeiro: Editora LTC, 14a. Edição,
2000, 480 p. ISBN 85-216-1232-X.
[5] NISKIER, J e MACINTYRE, A. J. Instalações Elétricas. Rio de Janeiro: Editora
LTC, 4a Edição, 2000, 550 p. ISBN 85-216-1250-8.
[6] FOX, Robert W. e McDONALD, Alan T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. Rio
de Janeiro:
Editora LTC, 4a. Edição revista, 1998, 662 p. ISBN 85-216-1078-5.
[7] NETTO, José M. de Azevedo e ÁLVARES, Guillermo A. Manual de Hidráulica.
São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 6a Edição revista, 1975.
[8] RASHID, Muhammad H. Power electronics, circuits, devices and applications. New
York: Prentice-Hall, 2nd edition 1993 pp 303-331 ISBN: 0133344835.
[9] HART, Daniel W. Introduction to power electronics. New Jersey: Prentice-Hall 1st
edition. 1997. ISBN: 0023511826.
[10] Catálogo de bombas da KSB, 2003.
[11] Catálogo de bombas da IMBIL, 2003.
[12] Catálogo de motores da WEG, 2003.
[13] Catálogo de motores da SIEMENS, 2003.
[14] Catálogo de inversores e soft-starters da WEG, 2003.
[15] Guia de aplicação de inversores da WEG, 2003.
[16] Site da SIEMENS: www.siemens.com.br.
[17] Site da WEG: www.weg.com.br.
[18] Site da KSB bombas: www.ksb.com.br.
78
Apêndice A – Cálculo da Altura Manométrica
A altura manométrica, designada pelo símbolo mH , é composta de duas
parcelas: (1) a altura geométrica ou estática, gH ; (2) a perda de carga localizada
observada durante a operação do sistema de recalque.
A.1 - Altura Geométrica
A altura geométrica é obtida da soma das alturas e distâncias medidas no local
de instalação (ou projetadas) nas linhas de sucção e de recalque. A fórmula (A.1) define
gH :
)1.(AhhH srg +=
As Figuras A.1 e A.2 ilustram como são definidas as alturas rh e sh .
Figura A.1 – Definições das alturas utilizadas no cálculo da altura geométrica.
79
Figura A.2 – Definições das alturas utilizadas no cálculo da altura geométrica (caso em
que sh é negativo).
A.2 - Perdas Dinâmicas
Quando o sistema de recalque está operando, verificamos perdas de carga
decorrentes do escoamento do fluido. A fórmula empírica de Hazen-Williams relaciona
a velocidade do fluido com os parâmetros de rugosidade, raio hidráulico e perda de
carga unitária, conforme indica a equação (A.2).
)2.(85,0 54,063,0 AJRCV ×××=
Sendo:
V é a velocidade do fluido em sm ;
C é a rugosidade relativa do material do tubo;
R é o raio hidráulico em m ;
J é a perda de carga unitária.
Através da equação da continuidade é possível associar a expressão (A.2) com
a vazão Q , que resulta em (A.3).
80
)3.(641,10 85,187,4
85,1
ACD
QJ×
×=
Para obter a perda de carga dinâmica total, calculamos o comprimento virtual
da tubulação nas linhas de sucção e de recalque, respectivamente aplicando as fórmulas
(A.4) e (A.5).
)4.(' ALJh sss ×=∆
)5.(' ALJh rrr ×=∆
O cálculo dos comprimentos virtuais deve levar em conta as perdas localizadas
além do comprimento da própria tubulação em seus correspondentes trechos de sucção e
de recalque.
A.3 - Cálculo das Perdas Localizadas
Perdas localizadas são decorrentes da passagem de fluido por peças, curvas e
outros componentes que dificultam o trajeto do mesmo desde o reservatório fonte até o
reservatório destino.
A Tabela A.1, extraída da referência [1], possibilita o cálculo dos
comprimentos virtuais em termos de número de diâmetros da tubulação para a avaliação
das perdas localizadas.
O parâmetro C que é a rugosidade relativa, presente na fórmula de Hazen-
Williams é fornecido na Tabela A.2.
81
Peça Número de diâmetro
Ampliação gradual 12 Cotovelo de 90° 45 Curva de 90° 30 Cotovelo de 45° 20 Curva de 45° 15 Entrada normal 17 Entrada de borda 35 Junção 30 Redução gradual 6 Registro de gaveta (aberto) 8 Registro de globo (aberto) 350 Registro de ângulo (aberto) 170 Saída de tubulação 35 Te, passagem direta 20 Te, saída bilateral 65 Válvula de pé com crivo 250 Válvula de retenção 100
Tabela A.1 – Comprimentos virtuais de peças.
Tubos Valores de C Aço corrugado 60 Aço com juntas "lock-bar", novos 135 Aço galvanizado (novos e em uso) 125 Aço rebitado, novos 110 Aço rebitado, em uso 85 Aço soldado, novos 120 Aço soldado, em uso 90 Aço soldado com revestimento especial (novos e em uso) 130 Chumbo 130 Cimento amianto 135 Cobre 130 Concreto - acabamento liso 130 Concreto - acabamento comum 120 Ferro fundido, novos 130 Ferro fundido, em uso 90 Ferro fundido, tubos revestidos de cimento 110 Grês cerâmico vidrado (manilhas) 110 Latão 130 Madeira, em aduelas 120 Tijolos, condutos com revestimento de cimento alisado 100 Vidro 140
Tabela A.2 – Rugosidade relativa de tubulações.
82
A.3.1 - Perda de Carga Distribuída em Condutos Mistos e
Múltiplos
Uma situação que pode se apresentar ao projetista é quando ele tem de
determinar a perda de carga em um conjunto de condutos que apresentam diâmetros,
comprimentos e coeficientes de rugosidade diferentes, os quais podem estar em série ou
em paralelo. Nestes casos, precisamos saber como considerar a perda de carga
distribuída total.
Tubulações em série: A perda de carga distribuída total é a soma das
perdas de carga dos diferentes trechos de tubulações que compõem o tubo misto. Assim,
para n seções, temos a relação (A.6).
)6.(1
Ahhn
ii∑
=∆=∆
As perdas localizadas devido às mudanças de seção são desprezadas neste
cálculo e, como os tubos estão em série, a vazão é a mesma, Q .
Tubulações em paralelo: Será considerado nesta análise apenas o caso
em que as tubulações têm rugosidades iguais. A vazão Q recebida no entrocamento
inicial, A, divide-se entre eles, de acordo com suas características, de modo que, no
entrocamento final, B, volta a assumir o mesmo valor. A Figura A.3 ilustra a situação
sob análise.
Figura A.3 – Tubulações de mesma rugosidade em paralelo (tubos múltiplos).
iii QDL ,,
jjj QDL ,,
kkk QDL ,,Q Q
83
Baseando na equação A.3, como a vazão total é a soma das vazões nos
diferentes tubos e a perda de carga distribuída de um conduto equivalente de
comprimento eqL e diâmetro eqD , podemos escrever as expressões A.7, A.8 e A.9.
onde, 85,1641,10
C=β .
Se todos os comprimentos forem iguais a L , temos a expressão para o
diâmetro equivalente dada conforme (A.10) para N condutos em paralelo.
38,0
1
63,2
= ∑
=
N
iieq DD (A.10)
A.4 - Recomendações sobre a Velocidade do Fluido nas
Tubulações
A vazão e a perda de carga unitária crescem com a velocidade média do
escoamento do fluido. As velocidades de escoamento mais elevadas apresentam
vantagem econômica, porém do ponto de vista técnico operacional não há vantagem,
porque velocidades elevadas podem provocar ruídos e vibrações incômodas. Além
disso, no caso de manobra de registros ou válvulas, velocidades elevadas ocasionam
pressões (golpe de aríete) capazes de danificar as instalações.
A experiência nos mostra que valores práticos de velocidade média são
aconselháveis, valores estes que não devem ser entendidos como limites rígidos.
)7.(21 AQQQQ k+++= L
)8.(ALJh eqeqeq ×=∆
eqeq
eq LDQh ××=∆ 87,4
85,1
β (A.9)
84
Para águas que possuem materiais em suspensão, não convém
adotarmos velocidades médias abaixo de 0,60 sm ;
Nas redes de distribuição de água, adotamos, geralmente, para o
cálculo da velocidade máxima:
)11.(5,16,0 ADVmáx ×+=
onde, D é o diâmetro da tubulação em metros e máxV em sm ;
Nas instalações prediais, adotamos, a norma da ABNT estabelece para
o cálculo da velocidade máxima a fórmula:
)12.(14 ADVmáx ×≤
onde, D é o diâmetro da tubulação em metros e máxV em sm ;
Para as estações elevatórias de água, as velocidades médias situam-se
entre 0,60 sm e 2,4 s
m .
85
Apêndice B - Instalação de Inversores de Freqüência
B.1 - Rede de Alimentação Elétrica
Os inversores são projetados para operar em redes de alimentação simétricas.
A tensão entre fase e terra deve ser constante, se por algum motivo esta tensão varia, por
exemplo, pela influência de algum outro equipamento ligado a rede, será necessário
colocar um transformador de isolação.
B.2 - Fusíveis
Os inversores geralmente não possuem proteção contra curto-circuito na
entrada, sendo assim, é responsabilidade do usuário colocar fusíveis para proteção.
Estes são normalmente especificados na documentação técnica.
B.3 - Condicionamento da Rede de Alimentação
Geralmente os inversores podem ser ligados diretamente a rede de
alimentação. Existem, no entanto, certas condições que devem ser levadas em conta na
instalação de um inversor, sendo necessária a utilização de transformadores isoladores
e/ou reatâncias de rede.
A rede elétrica experimenta freqüentes flutuações de tensão ou cortes
de energia elétrica (transformador isolador / reatância).
A rede elétrica não tem neutro referenciado ao terra (transformador
isolador)
A rede tem capacitores para correção de fator de potência não
conectados permanentemente. Isto significa que o banco de capacitores estará sendo
conectado e desconectado da rede permanentemente (reatância de rede). Deve se levar
em conta que a colocação de uma reatância de rede reduz a tensão de alimentação em
aproximadamente 2 a 3%.
86
As reatâncias de rede são utilizadas também para:
Minimizar falhas no inversor provocadas por sobre tensões transitórias
na rede de alimentação
Reduzir harmônicas
Melhorar o fator de potência
Aumentar a impedância da rede vista pelo inversor.
B.4 - Filtro de Rádio-Freqüência
Os filtros de rádio freqüência são utilizados na entrada dos inversores para
filtrar sinais de interferência (ruído elétrico) gerado pelo próprio inversor, que serão
transmitidas pela rede e poderiam causar problemas em outros equipamentos
eletrônicos.
Na grande maioria dos casos não são necessários, pois alguns tipos de
inversores já possuem internamente um filtro na entrada que evita problemas causados
por Interferência Eletromagnética (EMI). Caso seja necessário, devem ser montados
próximos a alimentação do inversor, estando tanto o inversor como o filtro
mecanicamente sobre uma placa de montagem metálica aterrada, havendo bom contato
elétrico entre a chapa e os gabinetes do filtro e inversor.
B.5 - Contatores
Com a finalidade de prevenir a partida automática do motor depois de uma
interrupção de energia, é necessário colocar um contator na alimentação do inversor ou
realizar algum intertravamento no comando do mesmo. O contador também permite um
seccionamento remoto da rede elétrica que alimenta o inversor.
B.6 – Interferência Eletromagnética (EMI)
A radiação eletromagnética que afeta adversamente o desempenho de
equipamentos eletro-eletrônicos é conhecida geralmente por EMI, ou Interferência
87
Eletromagnética. Muitos tipos de circuitos eletrônicos são suscetíveis a EMI e devem
ser protegidos para assegurar seu correto funcionamento. Da mesma forma, emissões
irradiadas desde dentro dos equipamentos eletrônicos podem prejudicar o
funcionamento dos mesmos ou de outros equipamentos que se encontrem perto destes.
Para assegurar o correto funcionamento de equipamentos eletrônicos, as
emissões eletromagnéticas produzidas por equipamentos comerciais não devem exceder
níveis fixados por organizações que regulamentam este tipo de produtos.
A radiação eletromagnética são ondas eletromagnéticas formadas por dois
campos: um campo elétrico (“E”) e um campo magnético (“H”) que oscilam um a 90
graus do outro. A relação de “E” para “H” é chamada a impedância de onda. Um
dispositivo que opera com alta tensão e baixa corrente gera ondas de alta impedância
(campos “E”).
Reciprocamente, se um dispositivo opera com correntes elevadas comparado a
sua voltagem, gera campos de baixa impedância (campo “H”).
A importância da impedância de onda é posta em evidência quando uma onda
de EMI encontra um obstáculo tal como uma proteção de metal. Se a impedância da
onda é muito diferente da impedância natural da proteção, a maior parte da energia é
refletida e a energia restante é transmitida e absorvida através da superfície. As
emissões eletromagnéticas (EMI) da maioria dos equipamentos comerciais são
tipicamente de alta freqüência e alta impedância. A maior parte do campo emitido é do
tipo “E”. Os metais possuem baixa impedância por causa de sua alta condutividade. É
assim que as ondas eletromagnéticas produzidas por campos “E” são refletidas por
proteções de metal.
Contrariamente, ondas de baixa impedância (campo H dominante) são
absorvidas por uma proteção de metal.
Para proteger os equipamentos é necessário fazer uma blindagem. Entende-se
por blindagem a utilização de materiais condutivos para absorver e/ou refletir a radiação
eletromagnética, causando uma abrupta descontinuidade no caminho das ondas. Como
já foi comentado para ondas de baixa freqüência a maior parte da energia é refletida
pela superfície da blindagem, enquanto que a menor parte é absorvida. Para ondas de
alta freqüência geralmente predomina a absorção.
O desempenho da blindagem é uma função das propriedades e configuração
do material empregado (condutividade, permeabilidade e espessura), da freqüência, e da
distância da fonte de radiação à proteção (blindagem).
88
B.6. 1 - Aterramento e Blindagem
O aterramento de um equipamento é de extrema importância para o seu correto
funcionamento, devido a segurança e a blindagem eletromagnética. Todas as partes
condutoras de um equipamento elétrico que podem entrar em contato com o usuário
devem ser aterradas para proteger os mesmos de possíveis descargas elétricas. Quando
um equipamento está corretamente aterrado, todas as partes condutoras que podem
entrar em contato com o usuário tem que ter uma diferença de potencial de zero volts a
respeito do aterramento.
A blindagem dos equipamentos é realizada normalmente com placas metálicas
formando um gabinete ou caixa. Estas devem estar ligadas umas as outras através de
materiais condutores e todas corretamente aterradas.
Todo equipamento que gera ondas EMI (exemplo: transistores chaveando
cargas a alta freqüência e com altas correntes – inversores) devem possuir blindagem
eletromagnética e esta deve estar corretamente aterrada. Principalmente quando são
utilizados em conjunto com outros equipamentos eletrônicos.
Gabinetes metálicos utilizados em equipamentos eletrônicos provêem bons
níveis de blindagem eletromagnética, a qualidade desta blindagem depende do tipo de
metal e espessura utilizada na fabricação dos gabinetes. Plástico e outros materiais não
condutores, quando utilizados como gabinetes, podem ser metalizados com pinturas
condutivas, camadas de filme metálico, etc. Portas, aberturas, janelas, painéis de acesso,
e outras aberturas em gabinetes são um caminho de entrada e saída das EMIs. Sendo
assim é necessário projetar adequadamente este tipo de aberturas para minimizar a
radiação emitida e absorvida.
Cabos - Os sinais elétricos transmitidos pelos cabos podem emitir radiação
eletromagnética e também podem absorver radiação (se comportam como antenas)
provocando falsos sinais que prejudicarão o funcionamento do equipamento. É assim
que existem cabos especiais com blindagem para minimizar este tipo de interferências.
Se perto do equipamento houver contatores, será necessário instalar
supressores de transientes nas bobinas dos contadores.
89
B.7 - Cabos
O cabo de conexão do inversor com o motor é uma das fontes mais
importantes de emissão de radiação eletromagnética. Sendo assim é necessário seguir os
seguintes procedimentos de instalação:
Cabo com blindagem e fio-terra, como alternativa pode ser usado
eletro duto metálico com fiação comum interna;
Blindagem ou eletro duto metálico deve ser aterrado;
Separar dos cabos de sinal, controle e cabos de alimentação de
equipamentos sensíveis;
Manter sempre continuidade elétrica de blindagem, mesmo que
contatores ou relés térmicos sejam instalados entre conversor e o motor.
Cabos de Sinal e Controle:
Cabo blindado aterrado ou eletroduto metálico aterrado;
Separação da fiação de potência;
Caso necessário, cruzamento de cabos, fazê-lo a 90º;
Caso necessário seguirem na mesma canaleta, usar separador metálico
aterrado.
Cabos paralelos (potência e sinais de controle) separados conforme
tabela:
Modelos Comprimento da fiação (m)
Distância mínima de separação (mm)
Corrente de saída < 25A ≤ 100 100 ≤ 24A > 100 250 Corrente de saída > 25A ≤ 30 100 ≥ 28A > 30 250
Tabela B.1 – Distância mínima recomendada para cabos.
90
Afastar os equipamentos sensíveis a interferência eletromagnética (CLP,
controladores de temperatura, etc) dos conversores, reatâncias, filtros e cabos do motor
(mínimo em 250 mm).
B.8 – Aterramento
Para um bom aterramento devemos obedecer aos seguintes pontos:
O motor pode também ser aterrado na estrutura da máquina
(segurança);
Nunca utilizar neutro como aterramento;
Não compartilhe a fiação de aterramento com outros equipamentos
que operem altas correntes (motores de alta potência, máquina de solda, etc.);
A malha de aterramento deve ter uma resistência L < 10 Ohms;
Recomenda-se usar filtros RC em bobinas de contatores, solenóides
ou outros dispositivos similares em alimentação CA. Em alimentação CC usar diodo de
roda livre;
Conexão de Resistores de Frenagem Reostática;
Cabo com blindagem aterrada ou eletroduto metálico aterrado.
Separado dos demais;
A rede elétrica deve estar referenciada a terra (neutro aterrado na
subestação).
B.9 - Dispositivos de Saída Relés Térmicos
Os inversores possuem normalmente proteção contra sobre correntes que tem
como finalidade proteger o motor. Quando mais de um motor é acionado pelo mesmo
inversor será necessário colocar um relé térmico de proteção em cada motor. Como o
sinal de saída do inversor é chaveado a altas freqüências, podem acontecer disparos nos
relés, mesmo sem estes terem atingido a corrente nominal de disparo. Para isto não
acontecer é necessário aumentar a corrente de disparo do relé em aproximadamente
10% da corrente nominal do motor.
91
B.10 - Reatância de Saída
Quando a distância entre motor e inversor é grande (valor dependente do tipo
de motor utilizado) podem ocorrer:
Sobre tensões no motor produzidas por um fenômeno chamado de
onda refletida;
Geração de capacitâncias entre os cabos de potência que retornam
para o inversor produzindo o efeito de “fuga a terra”, bloqueando o inversor. Este tipo
de problemas pode ser solucionado utilizando uma reatância entre o motor e o inversor.
Esta reatância devem ser projetada especialmente para altas freqüências, pois os sinais
de saída do inversor possuem freqüências de até 20khz.
B.11 - Instalação em Painéis – Princípios Básicos
As fiações blindadas nos painéis devem ser separadas das fiações de potência e
comando. Os sinais analógicos de controle devem estar em cabos blindados com
blindagem aterrada em apenas um lado, sendo efetuado sempre do lado que o sinal é
gerado.
Os sinais de encoder e comunicação serial devem ser aterrados conforme
orientação específica no manual do equipamento, o qual estará representado no projeto.
Os cabos de aterramento de barras de (“0V” e malhas) devem ser maior ou igual a
4mm2.
Os cabos de entrada de sinais de transdutores tipo isoladores galvânicos devem
ser separados dos cabos de saída de sinal dos mesmos. Os aterramentos dos
equipamentos devem ser efetuados rigorosamente conforme tabela de fiação que, por
sua vez, deve estar rigorosamente conforme projeto, ou seja, somente devem ser
efetuados os aterramentos indicados no projeto, exceto os aterramentos de estrutura,
placas, suporte e portas do painel.
Conecte diferentes partes do sistema de aterramento, usando conexões de
baixa impedância. Uma cordoalha é uma conexão de baixa impedância para altas
freqüências. Mantenha as conexões de aterramento as mais curtas possíveis.
92
Apêndice C – Considerações Importantes sobre Soft-Starter
É importante salientarmos alguns aspectos importantes relacionados a sistemas
de acionamento com soft-starters, principalmente o que está relacionado a proteção da
chave.
C.1 - Fusíveis
Recomenda-se a utilização de fusíveis de ação ultrarápida para proteção da
chave contra curto-circuitos. No caso de usar-se fusíveis de ação retardada, os mesmos
não garantirão a integridade dos semicondutores, já que os mesmos com certeza irão
danificar-se. Visto que a chave é constituída basicamente de uma placa eletrônica de
controle e de módulos de semicondutores de potência, estaremos comprometendo de
maneira muito severa o sistema como um todo.
C.2 - Correção de Fator de Potência
Devemos atentar aos casos onde é necessária a correção de fator de potência,
principalmente nos casos onde a correção é feita individualmente, onde normalmente
temos os capacitores de correção já conectados junto ao motor. Para a aplicação de soft-
starters neste tipo de situação devemos garantir que durante a execução das rampas os
capacitores estejam desconectados do circuito de saída entre a chave e o motor. De
maneira geral, podemos utilizar uma das saídas digitais programáveis da própria chave
para comandar o religamento dos capacitores. Isto, sem dúvidas, é o mais seguro e
correto em termos de garantias.
Caso, a opção seja a de usar-se um circuito de comando independente da soft -
starter, os cuidados deverão ser redobrados já que se os capacitores forem
acidentalmente conectados antes do final de execução da rampa de aceleração, por
exemplo, serão gerados transitórios indesejáveis de corrente, que poderão seguramente
danificar de forma irreversível os semicondutores.
93
C.3 - Contator de Entrada
Alguns modelos de chaves encontrados no mercado, em sua maioria modelos
analógicos, exigem a colocação de um contator no circuito de entrada da chave. Os
modelos analógicos são distribuídos em função de terem um custo menor do que as
chaves digitais que por sua vez não tem esta obrigatoriedade.
O importante é lembrar que nos modelos digitais estes contatores são
colocados em conformidade às normas, no aspecto de segurança. As normas exigem que
seja colocado um dispositivo de seccionamento do circuito de força (contator, disjuntor,
chave seccionadora, etc.), pois no caso de uma falha na soft-starter (placa de controle) e
a queima de um ou mais módulos de tiristores, os mesmos por serem semicondutores,
terão como característica entrarem em curto quando danificados, ficando assim claro,
que se não tivermos um elemento de seccionamento no circuito de força, não será
possível desligar o motor sem que se tome uma atitude mais drástica e com certeza mais
perigosa, do ponto de vista relacionado a segurança do usuário.
C.4 - Dispositivos de Seccionamento na Saída
Evite comutar dispositivos como contatores, seccionadoras, etc., conectados na
saída da chave, com a mesma ainda acionando o motor ou habilitada.
C.5 - Proteção de Sobrecarga
Não esqueça de ajustar corretamente os parâmetros relacionados com a
proteção de sobrecarga. Sempre ajustar de acordo com o motor utilizado e a corrente de
operação do mesmo.
C.6 – Acionamento de Multi-Motores
Quando utilizar-se uma única chave soft-starter para o acionamento de vários
motores (ao mesmo tempo), providenciar a utilização de relés de sobrecarga individuais
94
para cada um dos motores. Não esqueça que neste caso a soft-starter deverá ser
dimensionada pela soma das correntes individuais de cada motor.
Figura C.1 – Instalação de Soft-Starter em vários motores [12].
A corrente total (It) é dada pelo somatório das correntes de todos os N
motores. Matematicamente teremos a seguinte relação:
∑=N
kt II1
95
Apêndice D – Esquema de Captação de Água de uma Indústria