UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIS ESCOLA DE ENGENHARIA ELTRICA E DE COMPUTAO DIMENSIONAMENTO DE MOTORES E SELEO DO ACIONAMENTO PARA SISTEMAS DE CAPTAO DE GUA Graduandos: Kennedy Alves Vieira Saul Godino da Silva Filho Orientador: Prof. Dr. Antnio Csar Baleeiro Alves Goinia 2004 1Kennedy Alves Vieira Saul Godino da Silva Filho DIMENSIONAMENTO DE MOTORES E SELEO DO ACIONAMENTO PARA SISTEMAS DE CAPTAO DE GUA Projeto Final de Curso apresentado Coordenao de Estgio e Projeto Final da Escola de Engenharia Eltrica e de Computao da Universidade Federal de Gois, como requisito parcial para integralizao do currculo. rea de concentrao: Engenharia Eltrica. Orientador: Prof. Dr. Antnio Csar Baleeiro Alves Escola de Engenharia Eltrica e Computao UFG Goinia 2004 2Kennedy Alves Vieira Saul Godino da Silva Filho DIMENSIONAMENTO DE MOTORES E SELEO DO ACIONAMENTO PARA SISTEMAS DE CAPTAO DE GUA Projeto Final defendido e aprovado em ________de __________________________ de ________ pela Banca examinadora constituda pelos professores. _______________________________________________ Prof. Dr. Antnio Csar Baleeiro Alves Presidente da Banca _________________________________________________ Prof. Phd Jos Wilson Lima Nerys _________________________________________________ Eng. Antnio Marcos de Melo Medeiros, Mestrando EEEC/UFG 3Agradecimentos Aoprofessoreorientadordestamonografia,AntnioCsarBaleeiroAlves, pelo esforo e dedicao empenhada. AoEng.AntnioMarcos,pelagrandecontribuio,principalmenteno fornecimento de material para a escolha da bomba e acionamento do motor. Agradecer aos presentes reunio na Senha 9Francisco Humberto, Eng. Civil, Senha 9Luiz Carlos Carneiro, Eng. Eletricista, Saneago pela contribuio fundamental no melhoramento do programa. Aos familiares e amigos pelo constante apoio, compreenso e pacincia. E a todos que colaboraram de forma direta ou indireta para este trabalho. 4Sumrio Lista de Figuras.................................................................................................................6 Lista de Tabelas.................................................................................................................8 Resumo..............................................................................................................................9 Introduo........................................................................................................................10 Captulo 1 Dimensionamento de um Sistema de Captao de gua...........................12 1-Hidrulica dos Sistemas de Recalque......................................................................12 1.1-Altura Manomtrica.........................................................................................13 1.2-Potncia dos Conjuntos Elevatrios................................................................14 1.3-Perda de Carga.................................................................................................15 1.3.1-Perdas Dinmicas....................................................................................16 1.3.2-Perdas Localizadas..................................................................................17 1.3.2.1-O mtodo dos Comprimentos Equivalentes...................................18 1.4-Dimetros Econmicos....................................................................................20 2-Bombas Hidrulicas.................................................................................................22 3-Curvas Caractersticas..............................................................................................23 3.1- Curva do Sistema Versus Bomba.....................................................................23 4-Cavitao e NPSH....................................................................................................25 5-Motores de Induo Trifsicos.................................................................................28 5.1- Motor de Alto Rendimento..............................................................................29 6-Mtodos de Acionamento de um Motor de Induo................................................30 6.1- Critrios para o Dimensionamento de um Soft-Starter...................................32 6.2- Aplicaes de Inversores de Freqncia em Motores de Induo Trifsicos..35 57-Anlise Econmica em Conservao de Energia.....................................................38 7.1- Tempo de Retorno de Capital..........................................................................40 Captulo 2 Manual do Usurio do Programa Prosk2003..............................................39 1- Apresentao............................................................................................................42 2-Ambiente de Trabalho...............................................................................................43 3- Exemplo de Dimensionamento de um Sistema de Recalque sem Tubulao Pr-Existente....................................................................................................................49 4-Exemplo de Dimensionamento de um Sistema de Recalque com Tubulao Pr-Existente....................................................................................................................60 4.1-Subsistema MB1...............................................................................................63 4.2-Subsistema MB2...............................................................................................73 Concluso........................................................................................................................76 Referncias Bibliogrficas...............................................................................................77 Apndices........................................................................................................................78 6Lista de Figuras Figura 1.1 Partes componentes de um sistema de recalque..........................................12 Figura 1.2 Componentes da altura geomtrica.............................................................13 Figura 1.3 Classificao dos principais tipos de bomba...............................................22 Figura 1.4 Grfico de pr-seleo de uma bomba........................................................23 Figura 1.5 Grfico NPSHrequerido versus vazo..............................................................26 Figura 1.6 - Perdas em um motor de induo..................................................................28 Figura 1.7 Comparativo entre mtodos 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 peas.............................................................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 anlise econmica..............................................................47 Figura 2.12 Gerador de grfico.....................................................................................48 Figura 2.13 Projeto de sistema de recalque sem tubulao pr-existente.....................49 Figura 2.14 Inserindo componentes na linha de suco...............................................50 Figura 2.15 Parmetros e configurao do exemplo sem tubulao pr-existente preenchidos......................................................................................................................51 Figura 2.16 Clculo do dimetro da tubulao para o exemplo sem tubulao pr-existente...........................................................................................................................52 Figura 2.17 Clculos obtidos do exemplo sem tubulao pr-existente.......................53 Figura 2.18 Grfico de pr-seleo da bomba Mark-Peerless......................................54 Figura 2.19 Dados da bomba escolhida........................................................................54 Figura 2.20 Grfico altura manomtrica versus vazo da bomba Mark-Peerless........55 Figura 2.21 Interseo da curva do sistema com a curva da bomba.............................56 7Figura 2.22 Ponto de projeto para o exemplo sem tubulao pr-existente.................56 Figura 2.23 Resultado da escolha do motor para o exemplo sem tubulao pr-existente...........................................................................................................................57 Figura 2.24 Escolha do motor.......................................................................................58 Figura 2.25 Novo projeto com tubulao pr-existente...............................................61 Figura 2.26 Esquema da tubulao de suco..............................................................62 Figura 2.27 Esquema da tubulao de recalque do subsistema MB1...........................62 Figura 2.28 Parmetros do sistema MB1......................................................................63 Figura 2.29 Configurao dos trechos..........................................................................64 Figura 2.30 Configurao do primeiro trecho da suco..............................................65 Figura 2.31 Configurao do segundo trecho da suco..............................................65 Figura 2.32 Resultados das linhas de suco e recalque OC........................................67 Figura 2.33 Configurao do trecho AD......................................................................68 Figura 2.34 Resultados das linhas de suco e recalque OD........................................68 Figura 2.35 Grfico de pr-seleo da bomba KSB.....................................................69 Figura 2.36 Grfico da bomba KSB modelo Meganorm 125-315...............................70 Figura 2.37 Interseo dos grficos 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 suco do subsistema MB2....................73 Figura 2.40 Resultados do subsistema MB2................................................................74 Figura 2.41 Grfico de interseo das curvas da bomba e do sistema para o subsistema MB2..............................................................................................................75 Figura A.1 Definies das alturas utilizadas no clculo da altura geomtrica.............78 Figura A.2 Definies das alturas utilizadas no clculo da altura geomtrica (caso em que sh negativo)............................................................................................................79 Figura A.3 Tubulaes de mesma rugosidade em paralelo (tubos mltiplos)..............82 Figura C.1 Instalao de Soft-Starter em vrios motores.............................................94 8Lista de Tabelas Tabela 1.1 Peso especfico da gua para diversas temperaturas...................................15 Tabela 1.2 - Comprimentos equivalentes, em metros, para tubo hidraulicamente liso...19 Tabela 1.3 Valores de multiplicao para diversas categorias.....................................34 Tabela 2.1 Componentes da linha de suco................................................................50 Tabela 2.2 Componentes da linha de recalque.............................................................51 Tabela 2.3 Pontos da curva da bomba para o sistema sem tubulao existente...........55 Tabela 2.4 Dados colhidos sobre o sistema de captao de gua.................................60 Tabela 2.5 Componentes do primeiro trecho da suco...............................................64 Tabela 2.6 Componentes do segundo trecho da suco...............................................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 interpolao do grfico da bomba......................................70 Tabela 2.12 Componentes da linha de suco 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 peas................................................................81 Tabela A.2 Rugosidade relativa de tubulaes.............................................................81 Tabela B.1 Distncia mnima recomendada para cabos...............................................89 9Resumo Estetrabalhoabordaprocedimentosdeprojetodeumtpicosistemade captaodeguaparaabastecimentodeunidadesconsumidorascomerciaise industriais.Seguindoaanlisedoselementosprincipaisdeumprojetodecaptao, incluindotubulao,bomba,motoreacionamentoeletrnico,osprocedimentosso organizados sistematicamente sob a forma de um programa computacional. Oprogramaoferece,deformadidticaeinterativa,recursosparao Dimensionamento de Motores e Seleo do Acionamento para Sistemas de Captao de gua.Aprimeirafinalidadeprtica,aqualnospropomosacumprir,adeterminao dabombadesucoedomotoreltricoparaatenderasnecessidadesdosistemade captaodeguaeaosrequisitosdeprojeto.Almdesta,ressaltamos,como extremamenteimportante,aintenodedetalharosprocedimentotcnicosparaa corretaespecificaodosequipamentosquecompemumsistemaderecalque, evitando-seassimosuperdimensionamento.Apsodimensionamentodomotore bombapartiremosparaaespecificaodoacionamentocominversorousoft-starter, paraomelhorajustedevelocidadedomotorereduodoimpactonapartida.A minimizao dos gastos com o consumo de energia eltrica e a reduo do investimento inicialsocertamenteobjetivosquenorteiamesteprojeto,contemplandooaspecto econmico. 10Introduo Atualmente, existe uma preocupao crescente com relao a eficientizao de instalaesesistemassupridosporenergiaeltrica,visandoreduzirdesperdciose eliminarinvestimentosdesnecessrios.Abuscaporsoluesemeficientizaoea divulgaodosresultadosobtidosfazemcomqueaspessoassejam,cadavezmais, exigentes quanto aos padres de qualidade dos equipamentos e instalaes que utilizam. Portanto,importantequeaquelesempresriosquealmejammelhoresrendimentosde seus processos invistam em novas tecnologias que proporcionem a reduo das perdas. Sabemos que, ao reduzirmos as perdas, estaremos diminuindo os gastos nos usos finais da energia eltrica e conseqentemente reduzindo o custo de produo. Sendo assim, crucialrealizarocorretodimensionamentodeumaplantaindustrialoudeuma instalaocomercial,dentreosquaisseincluisistemadebombeamentodgua, presentenasempresasdosmaisvariadosramosdeatividades.Istoposto,oquenos propomos a cumprir justamente a determinao correta, ou seja, eficiente, das bombas desucoedosrespectivosmotoreseltricosparaatendernecessidadesquantoao suprimentodegua.Almdisso,realizaremosaespecificaodosinversoresesoft-starters,quetambmfazempartedoconjuntodeequipamentosmodernosque compem o sistema de recalque.Onossopropsitopreliminarcomestetrabalhomostrarosprocedimentos tcnicosquelevamaumprojeto otimizado de um sistema de captao de gua. Como ferramentaquefacilitaoprojetofoidesenvolvidoumprogramaquecontmos procedimentos para o correto dimensionamento do sistema de recalque. Para mostrar a aplicaodoprogramaProsk2003seroexemplificadosodimensionamentodedois sistemas de captao de gua, culminando com suas corretas especificaes.Emfacedaexigidadedotempoeporsetratardeumprojetodegraduao, noalcanvelaelaboraodeumprogramaqueatendaatodasasexigncias normalmente requeridas de programas profissionais. O programa consiste em gerar com oauxliodousurio,mediantedadosqueomesmofornea,resultadosdeumcorreto dimensionamentodosistemadecaptaodeguaeoseuacionamento,comalgumas opes de interao e facilidade para a confeco de um relatrio tcnico. No captulo 1 so apresentados os mtodos utilizados para o dimensionamento dosistemadecaptaodeguacontemplandoosprincpiosbsicosdahidrulica,os 11quais envolve o clculo da perda de carga e altura manomtrica. Determinando o valor dapotnciamecnicarequeridapeloconjuntoelevatriopartimosparaoacionamento domotor,ondepodemosescolherentreoinversorouosoft-starter,sendoqueo primeirotemcomofunoprincipalcontrolaravelocidadedomotoremsubstituio aos tradicionais mtodos de fluxo, permitindo a otimizao e adequao das condies deoperaodabombaparacadavalordevazodesejado,reduzindoperdas,rudose desgastesmecnicos.Osoft-starterprojetadoprincipalmenteparasuavizarapartida de motores, reduzindo correntes de partida, tenses bruscas, vibrao e outros. No captulo 2 tem-se o guia do usurio com a aplicao de dois exemplos de dimensionamentodesistemadecaptaoutilizandoosoftwareProsk2003.Umdos exemplosaplicadoasistemadecaptaosemtubulaopr-existente,ondefeitoo dimensionamento do dimetro adequado das tubulaes de recalque e suco utilizando omtodododimetroeconmico,elogoaseguiraescolhadoconjuntomoto-bomba comosistemadeacionamento.Napartededimensionamentodesistemadecaptao comtubulaopr-existenteapresentadoumexemplodeumaindstriadivididaem dois subsistemas. NosApndicestm-sealgumasconsideraessobreoclculodaaltura manomtrica, instalao de inversores, soft-starters e um esquema de captao de gua de uma indstria aplicado na seo 4. 12Captulo 1 Dimensionamento de um Sistema de Captao de gua 1- Hidrulica dos Sistemas de Recalque Oconjuntoconstitudopelascanalizaesepelosmeiosmecnicosde elevao denomina-se Sistema de Recalque (figura 1.1) [1]. Suas partes principais so: a)Tubulao de suco; b)Conjunto moto-bomba; c)Tubulao de recalque. Figura 1.1 Partes componentes de um sistema de recalque. 13A tubulao de suco mergulha no poo de mesmo nome e vai at a entrada dabomba.Atubulaoderecalquepartedabocadesadadabombaevaiao reservatriosuperior.Ossistemasdeacionamentoeletrnico,bemcomoos componenteseltricosemecnicos(vlvulas,redues,registros)noesto representados na figura 1.1. 1.1 Altura Manomtrica Alturamanomtricadefinidacomosendoaalturageomtricadainstalao mais as perdas de carga ao longo da trajetria do fluxo. Altura geomtrica a soma das alturasdesucoerecalque(figura1.2).Fisicamente,aquantidadedeenergia hidrulicaqueabombadeverfornecerguaparaqueamesmasejatransportadaa uma certa altura, vencendo, inclusive, as perdas de carga. Figura 1.2 Componentes da altura geomtrica. No Apndice A tm-se em mais detalhes a definio de altura manomtrica e o clculo das perdas de carga, mas podemos express-la de acordo com a equao 1.1. 14f g mH H H + = (1.1) Sendo: Hm altura manomtrica da instalao (m); Hgaltura geomtrica, onde s r gH H H + = (m); Hfperda de carga total (m). 1.2 - Potncia dos Conjuntos Elevatrios Para elevar a vazo Q de um lquido, de peso especfico , de um reservatrio deguaAparaB,entreosquaishumdesnvelHg,devemosinstalarumconjunto moto-bombaquedeverapresentarpotnciamecnicasuficienteparavenceras resistnciasrepresentadaspelasdistnciasgeomtricas,pelascaractersticasdas tubulaes e pelas perdas na conduo do fluido. A grandeza que permite a especificao do conjunto elevatrio moto-bomba a potncia mecnica [1], designada por Pm e dada de acordo com a expresso 1.2. m bmmH QP =75(1.2) Sendo: Pm a potncia mecnica em cavalos-vapor (cv); o peso especfico do fluido bombeado, em 3m kgf ; Q a vazo, ems m3; Hm a altura manomtrica, em m; b o rendimento da bomba hidrulica; m o rendimento do motor eltrico. Opesoespecficodependedatemperaturadofluido.Natabela1.1temos alguns valores para peso especfico para diversas temperaturas. 15Temperatura CPeso especfico (kN/m) Peso especfico (kgf/m) Presso de vapor(m)159,798999,1180,170 209,789998,2000,250 259,777996,9770,330 309,764995,6510,440 409,730992,1840,760 509,689988,0031,260 609,642983,2102,030 709,589977,8063,200 809,530971,7904,960 909,466965,2637,180 1009,399958,43110,330 Tabela 1.1 Peso especfico da gua para diversas temperaturas. OvalordepressodevaporutilizadoparaoclculodoNPSHdisponvel(ver frmula 1.14), dado importante para evitar o fenmeno de cavitao da bomba. Umavezconhecidasasgrandezasquefiguramnosegundomembroda equao,apotnciamecnicaentocalculada.Comovalordapotnciapodemos fazer a seleo do motor eltrico adequado. 1.3 - Perda de Carga Perda de carga refere-se energia perdida pela gua no seu deslocamento por algumatubulao[1].Essaperdadeenergiaprovocadaporatritosentreaguaeas paredesdatubulao,devidorugosidadedamesmaetambmpelocontatodofluido comoscomponentes.Portanto,aoprojetarumaestaodebombeamento,deve-se considerar essas perdas de energia que so classificadas em dois tipos: 9Perdasdinmicas:Soaquelasrelativassperdasaolongodeuma tubulao, sendo funo do comprimento, material e dimetro. 9Perdaslocalizadas:Soaquelasproporcionadasporelementosque compematubulao,excetoatubulaopropriamentedita.Portanto,soperdasde energiaobservadasempeas,comocurvasde90oou45o,registros,vlvulas,luvas, redues e ampliaes. 16Para o clculo da perda de carga total, normalmente trabalha-se com o mtodo doscomprimentosequivalentes.Istofeitoatravsdetabelas,convertendo-seaperda localizada em perda de carga equivalente a um determinado comprimento de tubulao. Issosignificaque,ficticiamente,seria como substituir, por exemplo, uma curva de 90o por um comprimento de tubo, e a perda de carga dinmica nesse comprimento equivale perda sofrida no tubo. 1.3.1 - Perdas Dinmicas Paraoclculodasperdasdinmicasutiliza-seafrmulaempricadeHazen-Williams [1],querelacionaavelocidade do fluido com os parmetros de rugosidadee raio hidrulico e perda de carga unitria, conforme indica a equao 1.3. 87 , 4 85 , 185 , 1641 , 10D CQJ = (1.3) Sendo: Ja perda de carga unitria, emm m ; Qa vazo, ems m3; Ddimetro da tubulao, emm ; Ccoeficientederugosidade,dependedanaturezadomaterial empregado na fabricao dos tubos e das condies de suas paredes internas. Comoumafrmulaemprica,elaboradacombaseeminmeros experimentos,deve-seterocuidadodeutiliz-laobservandorestriesrelativass condies em que foram obtidas, quais sejam: 9O escoamento deve ser turbulento de transio; 9Dimetro dos condutos deve ser maior ou igual a 4 (100 mm); 9Aaplicaoemredesdedistribuiodegua,adutoras,sistemasde recalque. Para obter a perda de carga dinmica total, calculamos o comprimento virtual da tubulao. Matematicamente, define-se perda de carga como a equao 1.4. 17e fL J H = (1.4) Sendo: Hfperda de carga de uma instalao, emm; Jperda de carga unitria, emm m ; Lecomprimento equivalente da tubulao, emm. O clculo dos comprimentos virtuais deve levar em conta as perdas localizadas alm do comprimento da prpria tubulao em seus correspondentes trechos. 1.3.2 - Perdas Localizadas Asinstalaesparatransportedeguasobpresso,dequalquerporte,so constitudasportubulaesmontadasemseqncia,unidasporacessriosdenatureza diversacomovlvulas,curvas,derivaes,registros,conexesdequalquertipoe, eventualmente, uma mquina hidrulica como uma bomba ou uma turbina. Nos trechos retilneos,dedimetroconstanteedemesmomaterial,aperdadecargaunitria constante, desde que o regime seja permanente. Apresenadequalquerumdestesacessriosconcorreparaquehaja, localmente,alteraodemdulooudedireodavelocidademdiae, conseqentemente,depresso.H,portanto,umacrscimodeturbulnciaqueproduz perdasdecargaquedevemsersomadassperdasdistribudas.Taisperdasrecebemo nome de Perdas de Carga Localizadas ou Perdas de Carga Singulares. Paraamaioriadosacessrioseconexesutilizadosnoexisteumtratamento analtico para o clculo da perda de carga. um campo experimental, pois a avaliao dessas perdas depende de diversos fatores de difcil quantificao. Deformageral,paracadaacessrio,aperdadecargapodeserexpressapela equao 1.5. gVK H f22 = (1.5) 18Sendo: Hf perda de carga de uma instalao, emm; Kcoeficienteadimensionalquedependedageometriada conexo,donmerodeReynolds,darugosidadedaparedee,emcertoscasos, das condies do escoamento.Vvelocidadedereferncia,emgeralavelocidademdia,em s m . O coeficiente K determinado experimentalmente e, na prtica, assume-se que tenhaumvalorconstante,independentedonmerodeReynolds.Naliteratura,este valor apresentado em tabelas e grficos [2]. Paraoclculodoscomprimentosvirtuaisemtermosdenmerodedimetros datubulaoparaaavaliaodasperdaslocalizadasutilizamosomtododos comprimentos equivalentes descrito na seo 1.3.2.1. 1.3.2.1 - O Mtodo dos Comprimentos Equivalentes Omtodoconsisteemadicionarmosaocomprimentorealdatubulao, somenteparaefeitodeclculo,comprimentosdetubo,comomesmodimetrodo conduto em estudo, capazes de provocar as mesmas perdas de carga ocasionadas pelas peasquesubstituem.Atubulaoadquireumcertocomprimentovirtualeaperdade carga total calculada pela frmula de determinao das perdas de carga contnuas. As perdasdecargadistribudasaolongodascanalizaespodemserdeterminadaspela frmula de Darcy-Weisbach (equao 1.6) ou frmula universal [1]. gVDfL Hf22 = (1.6) Sendo: Hf perda de carga de uma instalao emm; Lcomprimento virtual emm; 19fcoeficiente de atrito; Ddimetro da tubulao emm; Vvelocidade mdia ems m . Por outro lado, as perdas localizadas so calculadas com a expresso geral 1.7. gVK H f22 = (1.7) Observamosqueasperdasdecargalocaisvariamcomamesmapotnciada velocidade que aparece no clculo das perdas de carga contnuas, na frmula indicada. Em virtude desta coincidncia, igualando as expresses acima, obtemos a equao 1.8. f D KLe= (1.8) OndeLechamadodecomprimentoequivalente,encontradotabeladoem manuaisparadiversosmateriaisedimensesdesingularidades.Natabela1.2temos alguns valores de comprimentos equivalentes fornecidos pela NBR 5626/1998. Tipo de conexo Dimetro Nominal Cotovelo 90 Cotovelo 45 Curva 90 Curva 45 T Passagem Direta T Passagem Lateral 151,10,40,40,20,72,3 201,20,50,50,30,82,4 251,50,70,60,40,93,1 322,01,00,70,51,54,6 403,21,01,20,62,27,3 503,41,31,30,72,37,6 603,71,71,40,82,47,8 753,91,81,50,92,58,0 1004,31,91,61,02,68,3 1254,92,41,91,13,310,0 1505,42,62,11,22,811,1

Tabela 1.2 - Comprimentos equivalentes, em metros, para tubo hidraulicamente liso. 20Dividindooscomponentesobtidosnatabela1.2pelosrespectivosdimetros, verificamosqueosresultadosapresentampequenavariao.Destemodo,os comprimentosvirtuaispodemserexpressosemnmerodedimetros,comomostrado na tabela A.1. Para o clculo da perda de carga total, utilizando o mtodo dos comprimentos equivalentes,tomamosasomadosvaloresdatabelaA.1correspondenteaos componentespertencenteslinhaemultiplicamospelaperdaunitriaequivalente daqueletrecho,fazendoassimaconversodaperdaacidentalemperdadecarga equivalenteaumdeterminadocomprimentodetubulao.Issosignificaqueestamos substituindo, por exemplo, uma curva de 90 por um comprimento de tubo, e a perda de cargacontnuanessecomprimentoequivaleperdalocalizadanacurva.Paraisto utilizamos a equao 1.6. 1.4 - Dimetros Econmicos Comonotamos,emquaisquerdasfrmulasprticasindicadas,avazoea perda de carga unitria crescem com a velocidade mdia do escoamento. Comoefeito,fazendoorecalquecomvelocidadesdeescoamentobaixas, resultam dimetros relativamente grandes, implicando em custos elevados da tubulao e menores gastos com as bombas e energia eltrica, porque as alturas manomtricas so menores. Velocidadesaltasrequeremdimetrosmenores,decustosmaisbaixos,mas queprovocamgrandesperdasdecarga.Comoconseqncia,asalturasmanomtricas somaiores,osconjuntosmaispotentesemaiscaros,exigindomaiorconsumode energia eltrica. Para o dimensionamento da tubulao, vamos utilizar o critrio de velocidade econmica, onde a velocidade pode variar de 0,6 a 2,4m/s. Para determinar o dimetro a partirdestecritrio,procede-seatravsdafrmuladeBresse(equao1.9),degrande utilidade prtica [1]. Q k D = (1.9) Sendo: 21Ddimetro do tubo, em m; kcoeficiente experimental; Qvazo dado, ems m /3. Cabeaoprojetistaelegerconvenientementeovalordek.Emrealidade, escolherovalordekequivalefixaravelocidade.Realmente,levandonaequaoda continuidadeovalordeQtiradodafrmuladeBresse(equao1.9),vemequao 1.10 [1]. 24kV=(1.10) Sendo: Vvelocidade da gua ems m/ ; kcoeficiente experimental. Substituindoavelocidadenaequao1.10porumvalorentre0,6e2,4m/s temosovalordocoeficientek,oqualnecessrioparaobtenododimetrona equao1.9.Apartirdovalorcalculado,usa-seodimetrocomercialimediatamente acimaparaatubulaodesuco,eodimetrocomercialimediatamenteabaixono recalque. 222 Bombas Hidrulicas Bombassomquinashidrulicasgeratrizesouoperatrizescujafinalidade realizarodeslocamentodeumlquidoporescoamento.Elastransformamotrabalho mecnico que recebe para seu funcionamento em energia, que comunicada ao lquido sob formas de energia de presso e cintica [2]. As bombas podem ser classificadas pela sua aplicao ou pela forma com que aenergiacedidaaofluido.Oquadrodafigura1.3mostraresumidamentea classificao dos principais tipos de bombas. Figura 1.3 Classificao dos principais tipos de bomba. Quanto posio do eixo da bomba em relao ao nvel da gua: a)Bomba de suco positiva: quando o eixo da bomba situa-se acima do nvel do reservatrio. b)Bomba de suco negativa, afogada: quando o eixo da bomba situa-se abaixo do nvel do reservatrio. Especiaisslizantes PalhetasDeParafusoLbuloss EngrenagenRotativasDiafragmaEmboloPistoas Alternativpositivoto deslocamen ouas VolumtricFrancis TipoRadiais PurasAxial FluxoMisto Fluxos Centrfugas turbobomba ouDinmicas ) (233 - Curvas Caractersticas Afigura1.4apresentaumgrficodepr-seleodebombasdeuma determinadamarca,apartirdoqualousuriotemumaidiadequaiscatlogos consultarem a respeito da seleo propriamente dita, locando o ponto de trabalho neste grfico e determinando qual a famlia ideal de bombas. Figura 1.4 Grfico de pr-seleo de uma bomba [11]. 3.1 - Curva do Sistema Versus Bomba A curva do sistema, tambm conhecida como curva da tubulao uma curva traadanogrficoalturamanomtricaversusvazoesuaimportnciaestna determinaodopontodetrabalhodabomba,poisesseobtidonoencontrodessa curva com a curva caracterstica da bomba (figura 2.37). Para tra-la, necessrio retornar definio de altura manomtrica, fazendo com que a equao 1.1 tenha a forma() Q f Hm =atravs dos passos descritos a seguir. Assim, Hf pode tambm ser definida pela equao 1.11.24852 , 1Q k Hf = (1.11) Sendo: 852 , 163 , 2355 , 04((

=D CLe k (1.12) Ou seja, basta desmembrar a vazo da equao de Hazen-Willians [1] da perda de carga unitria e multiplicar o comprimento equivalente pela outra parte da equao. Dessa forma, a equao() Q f Hm = , tem a forma da equao 1.13. 852 , 1Q k HG Hm + = (1.13) Emumprojetodeumsistemaderecalque,tem-seoconhecimentodavazo necessriaedaalturamanomtrica(alturageomtricamaisperdasdecarga);aaltura geomtricaasomadaalturadesucocomaalturaderecalque.Assim,basta substituir esses pontos conhecidos, na equao acima, para encontrar k, completando a equao. Definidaaequao,constri-seacurvadosistema,criandoumatabelade valoresdevazopelaalturamanomtrica.Emseguida,plota-seosvaloresnogrfico altura manomtrica versus vazo e unindo-os, tem-se a curva do sistema. Acurvadabombaeobtidaatravsdocatlogodofabricante,maspodemos expressa-l genericamente na forma da expresso 1.14. 852 , 1Q A H Ho m = (1.14) Sendo: Hoaltura de carga no fechamento, em m; Acoeficiente de determinao; Qvazo do sistema, emh m /3. Ocoeficientededeterminaodependedascaractersticasprpriasdecada bomba, sendo de estudo do fabricante. Atravs do ponto de interseco 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, diferente do ponto proveniente do projeto. 254 Cavitao e NPSH Acavitaopodeocorreremqualquermquinatrabalhandocomlquido sempre que a presso esttica local cair abaixo da presso de vapor do lquido. Quando issoocorre,olquidopodevaporizar-seinstantaneamente,formandoumacavidadede vapor e alterando a configurao do escoamento em relao condio sem cavitao. Acavidadedevapormudaaformaefetivadapassagemdofluxo,assimalterandoo campodepressolocal.Comootamanhoeaformadacavidadedevaporso influenciadospelocampodepressolocal,oescoamentopodepassarano-pernamente. Essa condio pode causar oscilao em todo o escoamento e vibrao na mquina [6]. Quandoacavitaocomea,oefeitoarpidareduododesempenhoda bombaoudaturbina.Acavitao,portanto,deveserevitada,afimdemantera operao estvel e eficiente. Alm disso, as presses de superfcie locais podem tornar-se altas quando a cavidade de vapor implode, causando avarias por eroso generalizada ou localizada. As avarias podem ser severas a ponto de destruir uma mquina fabricada com material quebradio de baixa resistncia. Obviamente, a cavitao deve ser evitada, tambm, para assegurar uma longa vida para a mquina. Numabomba,acavitaotendeacomearnaseoondeoescoamento acelerado para dentro do impelidor. A cavitao numa turbina comea onde a presso menor.Atendnciaacavitaraumentamedidaqueavelocidadedoescoamentolocal aumenta,istoocorresemprequeavazoouavelocidadedeoperaodamquina aumenta [6]. A cavitao pode ser evitada se a presso em todos os pontos da mquina for mantida acima da presso de vapor do lquido de operao. A velocidade constante, isto requerqueumapressopositiva(maiordoqueapressodevapordolquido)seja mantida na entrada da bomba (a aspirao). Por causa das perdas de presso na entrada dabomba,apressodeaspiraopodeserabaixodaatmosfrica.Porconseguinte, importante limitar cuidadosamente a queda de presso na tubulao de aspirao. Aalturadeaspiraoacimadapressodevapor(NPSH)definidacomoa diferena entre a presso absoluta de estagnao no escoamento, na aspirao da bomba, e a presso de vapor do lquido, expressa em altura do lquido que flui [6]. A altura de aspirao acima da presso de vapor requerida (NPSHrequerido) por uma bomba especfica 26afimdeeliminaracavitaovariacomolquidobombeado,comasuatemperaturae comacondiodabomba(porexemplo,ascaractersticasgeomtricascrticasda bombasoafetadaspelodesgaste).ONPSHrequeridopodesermedidonumabancadade testedebombascontrolando-seapressonaentrada.Osresultadossoplotadosna curva de desempenho. ONPSHdispomvelnaentradadabombadevesermaiordoqueoNPSHrequerido paraquenohajacavitao.Apressocainatubulaodeaspiraoenaentradada bombacomoaumentodavazoemvolume.Assim,paraqualquersistema,o NPSHdisponveldiminuiquandoavazoemvolumedosistemaaumenta,ascurvasde NPSHdisponveleNPSHrequeridoversusvazoeventualmentesecruzam.Paraqualquer sistemadeentrada,existeumavazoquenopodeserexcedidasobpenadehaver cavitao na bomba. As perdas de presso na entrada podem ser reduzidas aumentando-se o dimetro do tubo de aspirao. Paraocorretodimensionamentodabombaevitandoofenmenodacavitao deve-seobteroNPSHrequeridodiretamentedacurvacaractersticacorrespondentedo modelodebombaescolhido(figura1.5)ecompar-locomoNPSHdisponvelcalculado peloprograma.ConsultenocatlogoogrficoNPSHrequeridoversusvazodabomba selecionadaeverifiqueparaovalordavazodeprojetoovalordoNPSHrequeridoe compare com o NPSHdisponvel, observe que a condio NPSHdisponvel > NPSHrequerido deve serverdadeiraparaquenohajaproblemasdecavitao,casocontrriodeveroser feitas alteraes no projeto. Figura 1.5 Grfico NPSHrequerido versus vazo. 27Esse NPSH deve ser estudado pelo projetista da instalao, atravs da seguinte expresso 1.15. ) (sfvsatmdisponvelHPHPNPSH + + = (1.15) Sendo: NPSHdisponvel energia disponvel na instalao para suco, em m; Patmpresso atmosfrica local, em 2m kgf ; densidade da gua, em 3m kgf ; Hs alturadesuco,negativaquandoabombaest afogada, e positiva quando estiver acima do nvel dgua, em m; Pvpressodevapordofluidoemfunodasua temperatura; Hfsperda de carga total na linha de suco, em m; O projetista pode, dentro de certos limites, alterar o NPSHdisponvel modificando a cota do eixo da bomba ou outros elementos, observando que seu valor deve ser, pelo menos 15% maior que o NPSHrequerido. ONPSHrequeridoa"cargaenergticalquidarequeridapelabomba"para promoverasuco.EsseNPSHobjetodeestudodofabricante,sendofornecido graficamente atravs de catlogos. Observa-se, portanto, que a energia disponvel na instalao para suco deve ser maior que a energia requerida pela bomba, logo NPSHdisponvel NPSHrequerido. Caso contrrio haver cavitao em decorrncia de uma suco deficiente. 285 - Motores de Induo Trifsicos Muitoemboraosmotoresdeinduotrifsicossejammquinas intrinsecamenteeficientes,estesseconstituemcomoumgrandepotencialde conservaodeenergia.Talfenmenopodeserexplicadoatravsdeduasrazes principais,quaissejam,agrandequantidadedemotoresinstaladoseaaplicao ineficiente dos mesmos. De fato, uma pesquisa recente mostrou que, em mdia, cerca de 50% das cargas eltricas industriais so compostas por motores de induo, chegando a 70% em algumas regies do pas [2]. Poroutrolado,muitocomumencontrar-seochamadomotorsobre dimensionado,ouseja,motoresacionandocargasmuitoinferioressuacapacidade nominal, acarretando em baixos fatores de potncia e rendimentos, contribuindo para a sua aplicao ineficiente. Basicamente,omotorumconversoreletromecnicoque,baseadoem princpioseletromagnticos,converteenergiaeltricaemenergiamecnica,ouvice-versa, quando passa a se chamar gerador. Naturalmente, esta converso no completa devido a uma srie de perdas que ocorrem no interior da mquina durante este processo. Taisperdaspodemseragrupadasdaseguinteforma:perdasJoulenoestator,perdas Joule no rotor, perdas no ferro, perdas por disperso e perdas por atrito e ventilao. Apotnciaeltricaabsorvidadaredemenosasperdasresultanapotncia mecnicadisponvelnoeixodomotor.Orendimentoserdadopelarelaoentrea potncia mecnica e a potncia eltrica. A distribuio das perdas em um motor varia de acordocomoseucarregamento.Afigura1.6apresentaarelaodeproporoe distribuio mdia das perdas em um motor operando em condies nominais [2]. Figura 1.6 - Perdas em um motor de induo. Atrito e Ventilao 7,5%Rotor 20%Disperso 12,5%Ferro 20%Estator 40%295.1 - Motor de Alto Rendimento Os motores de alto rendimento se apresentam como uma boa alternativa, muito emboranosejamassoluesdefinitivasparatodososproblemasenergticos relacionadosaosmotoresdeinduo,postoquesotosuscetveisafatoresexgenos (condiesdoalimentador,mtododepartida,ambientedetrabalho,etc.)quantoos motores de projeto padronizado. A principal caracterstica destes motores a melhoria em pontos vitais onde se concentra a maioria das perdas. Como exemplo, pode-se citar: 9Oaumentodaquantidadedecobrenosenrolamentosdoestator, incluindo o projeto otimizado das ranhuras; 9O super dimensionamento das barras do rotor para diminuir as perdas por efeito Joule; 9Diminuio da intensidade de campo magntico e utilizao de chapas magnticasdeboaqualidadeparareduzirasperdasnoferroeacorrentede magnetizao; 9Empregoderolamentosadequadoseotimizaodoprojetodos ventiladores para diminuir as perdas por atrito e ventilao; 9Regularidadedoentreferro,melhorianoisolamentoetratamento trmico das chapas do estator e do rotor para reduzir as perdas adicionais. Estas medidas podem acarretar uma reduo de at 30% das perdas, o que significa uma real economia de energia [2]. 306 Mtodos de Acionamento de um Motor de Induo Quandoseligaummotordeinduo,isto,d-separtida,acorrente absorvida3,4,5eatmaiornmerodevezessuperiorcorrentenominalaplena carga.Estenmerodependedotipoedascaractersticasconstrutivasdomotor. medida que o motor vai atingindo sua potncia nominal, a corrente vai decrescente e a velocidade aumentando, at que atinja a velocidade de regime, o que se dar quando o motorestiverfornecendoapotncianominalparaaqualfoiprevistofuncionar,em condies normais [5]. V-se que, ao dar partida, o motor consome mais de 600% da corrente a plena carga. Quanto maior a inrcia das partes a receberem a ao ou os efeitos do conjugado motor, maior ser o tempo necessrio para que a corrente atinja o valor nominal a plena carga [5]. Amaneiramaissimplesdepartirummotordeinduoapartidadireta,a qualomotorligadoredediretamenteatravsdeumcontatoredisjuntor.Porm, deve-se observar que para este tipo de partida existem restries de utilizao. Paramotoresdeat5cv,ligadosredesecundriatrifsica,podem-seusar chavesdepartidadireta.Acimadestapotncia,deve-seempregarumdispositivode partida que limite a corrente de partida a um mximo de 225% da corrente nominal do motor, como chaves estrela-tringulo, compensadoras de partida e soft-starter. Nocasoemqueacorrentedepartidadomotorelevadapodemocorrero aumentodaquedadetensonosistemadealimentaodarede.Emfunodisto, provocar a interferncia em equipamentos instalados no sistema. O sistema de proteo (cabos, contatores) dever ser super dimensionado, ocasionando um custo elevado. Casoapartidadiretanosejapossvel,devidoaosproblemascitadosacima, pode-se usar sistema de partida indireta para reduzir a corrente de partida: 9Chave estrela-tringulo 9Chave compensadora 9Partida eletrnica (soft-starter) Aschavesestrela-tringulosoutilizadasparamotoresdepotnciadeat 130cv.Estabelecedeincioaligaodoestatordomotoremestrelae,quandoorotor 31atingeavelocidadenominal,mudamaligaoparatringulo.Comisto,acorrentede linhanapartida(ligaoemestrela)ficareduzidade1/3daligaoemtringulo,ea tenso de fase aplicada fica reduzida de3 1 . Como o conjugado-motor proporcional ao quadrado da tenso, ele fica reduzido de 1/3 em relao ligao-tringulo. As chaves estrela-tringulo podem ser de comando manual local (at 60A) ou automticas,distncia(at630A)porboto,chavesdenvel,etc.Aschavesso aplicveisamotorescujatensonominalemtringulocoincidecomatensonominal entre fases da rede alimentadora [5]. Comooconjugadodepartidaficamuitoreduzidonafasedeligaoem estrela, s se deve usar chave estrela-tringulo quando o motor tiver conjugado elevado, para partida a plena carga, somente quando as cargas forem leves. Chaves compensadoras de partida so chaves automticas utilizadas em carga demotorestrifsicoscomrotoremgaiola.Reduzemacorrentedepartida,evitando sobrecarregar-searedealimentadora.Deixam,porm,omotorcomummomento suficiente para o arranque, embora o reduzam em cerca de 64% [5]. Napartida,umcontatorligaemestrelaumautotransformadore,porum contatorauxiliar,ligaumreldetempo.Atensonachavecompensadorareduzida atravs de um autotransformador comtaps para 50, 65 e 80% da tenso normal [5]. O motor parte, assim, em tenso reduzida. Aps o tempo ajustado para a entrada do motor navelocidadenominal,oreldetempodesligaocontatoreintroduznocircuitoum outrocontator,oqualligaomotordiretamenterede.Sousadosnapartidade compressores, britadores, calandras, bombas helicoidais e axiais e grandes ventiladores. Podem ser acionadas por boto local ou por chaves de comando. Comacrescentenecessidadenaotimizaodesistemaseprocessos industriais,algumastcnicasforamdesenvolvidas,principalmentelevando-seem consideraoconceitosetendnciasvoltadosautomaoindustrial.Olhandoparao passado podemos claramente perceber o quanto estas tcnicas tem contribudo para este fim. Um dos mais claros exemplos so os sistemas de acionamento para motores de induo, largamente utilizado em praticamente todos os segmentos, seja ele residencial ou industrial pela eficincia em minimizar o valor da corrente de partida (figura 1.7) e a economia de energia que ele ns fornece. 32 Figura 1.7 Comparativo entre mtodos de partida [13]. Emparticularnsiremosanalisareavaliar,umatcnicaquetornou-semuito utilizadanaatualidade,aschavesdepartidasoft-starters.Estesequipamentos eletrnicosvmassumindosignificativamenteolugardesistemaspreviamente desenvolvidos. 6.1 Critrios para o Dimensionamento de um Soft-Starter Nesta seo iremos estabelecer os critrios mnimos e necessrios para efetuar o correto dimensionamento de uma chave soft-starter. Devemosgarantirqueomotoraoseracionadoporumsoft-startertenha condiesdeaceleraracargadarotaozeroatsuarotaonominal(ouprximo disto) onde haver ento o equilbrio. Fisicamente, o motor dever ser capaz de produzir um conjugado dinmico tal, quesejaesteosuficienteparavenceroconjugadoresistentedacargaeainrcia refletida em seu eixo. Como vimos anteriormente, o motor sofre algumas alteraes nas suascaractersticasdeconjugadoemvirtudedeaplicarmosaeleumatensoreduzida, trazendocomoprincipaisbenefciosareduodacorrenteedoconjugadodepartida respectivamente. Parapodermosespecificarumsoft-startermuitoimportanteobtermos algumasinformaesrelacionadasprincipalmentecomascaractersticasdomotor,da 33carga,doambiente,condiesdeoperao,rededealimentao,acoplamentoentreo motor e a carga. Desta forma trataremos de verificar estes pontos e definir critrios que nos possibilitem especificar o modelo ideal de chave esttica. Em relao aos aspectos acima expostos devemos levantar os seguintes dados para o motor: 9Corrente nominal; 9Potncia nominal; 9Tenso de alimentao; 9Nmero de plos; Algumasobservaessobreainstalaodaproteoeoacionamentode vrios motores so feitas no Apndice C. Devemosfrisarcomrelaoaosdadosdomotorqueamaisimportante informaoacorrentenominal,poisacorrentedosoft-starterserdimensionadaem relao a ela. Desta forma podemos estabelecer o primeiro critrio de dimensionamento de acordo com a expresso 1.16. motor nom starter soft nomI I (1.16) Muitasvezestodasasinformaesdomotornoestarodisponveisedesta forma teremos que aplicar fatores para o dimensionamento do soft-starter. Isto por sinal muitocomum,poismuitasvezesachaveseraplicadaemmquinasmaisantigas, retrofittingouemampliaesdasinstalaes.Partindodestarealidadepoderemos estabelecerduassituaespossveis,umaquandotemostodasasinformaes disponveis e outra quando no temos. Nasituaonormalnopoderemosdispordeinformaesmaisdetalhadas, assimseremosobrigadosaconsiderarcritriosdedimensionamentobaseadosem resultadosempricos,ouseja,colhidosatravsdaexperincia.Dessaforma estabeleceremos fatores de multiplicao que devero ser aplicados corrente nominal do motor. A tabela 1.3 nos mostra estes fatores. 34AplicaoCargaInrciaFator Bomba CentrfugaBaixaBaixa1.0 Compressores (parafuso) BaixaBaixa1.0 Compressores (alternativo) MdiaBaixa1.0 1.2 at 22kW VentiladoresQuadrticoMdia/Alta 1.5 acima de 22kW MisturadoresMdiaMdia1.5-1.8 MoinhosMdia/AltaMdia1.8-2.0 TransportadoresMdia/AltaAlta1.8-2.0 CentrfugasBaixaMuito-Alta1.8-2.0 Tabela 1.3 Valores de multiplicao para diversas categorias. Osvaloresdatabela1.3sovlidospararegimedeservionormal,ouseja, com nmero de partidas no superior a 10 partidas por hora. Consideramos tambm, a inrcia e conjugado resistente da carga referidos ao eixo do motor. VamosconsiderarummotorWEG,175cv4plos380V60Hz. Acionando uma bomba centrfuga em uma estao de tratamento de gua. Devemos considerar a corrente nominal do motor. Procurando as informaes necessrias no catlogo de motores para o clculo encontramos Inom = 253,88 A; Pelo critrio da tabela 1.3 vemos que devemos considerar o fator 1.0; Logoosoft-starterindicadoparaestecasooSSW-03.255/220-440/2(ver catlogo). No h dvida que esta maneira de dimensionar as chaves soft-starters muito mais simples, porm ela torna-se muito vulnervel a erros, j que em virtude das poucas informaesoferecidasmuitodifcilgarantiroacionamento.Nestescasossempre oportunoconsultarofabricantedosoft-starterparaqueestepossaavaliarmelhora situao e assim indicar uma soluo mais adequada. 356.2-AplicaesdeInversoresdeFreqnciaemMotoresde Induo Trifsicos Ousodemotoreseltricosdeinduoalimentadosporinversoresde freqncia para acionamento de velocidade varivel tem crescido significativamente nos ltimos anos em virtude das vantagens inerentes proporcionadas por esta aplicao, tais comoafacilidadedecontrole,aeconomiadeenergiaeareduonopreodos inversores,lideradapelodesenvolvimentodecomponenteseletrnicoscadavezmais baratos.Taisacionamentossoaplicadosprincipalmenteembombas,ventiladores, centrfugas e bobinadeiras. Ascaractersticasconstrutivasdeummotordeinduoalimentadoporuma redesenoidalsodeterminadasemfunodascaractersticasdestarede,das caractersticas da aplicao e das caractersticas do meio ambiente. No entanto, quando alimentadoporinversordefreqncia,tambmascaractersticasprpriasdoinversor exercemsignificativainflunciasobreocomportamentodomotor,determinando-lhe novas caractersticas construtivas ou de operao.Outra influncia sobre as caractersticas construtivas do motor alimentado por inversordefreqnciaestrelacionadacomotipodeaplicao,maisespecificamente comafaixadevelocidadenaqualomotorirtrabalhar.Observa-se,portanto,que existemdiferenasnamaneiradeespecificarummotordeinduosemvariaode velocidadealimentadoporumaredesenoidaleummotorcomvariaodevelocidade alimentado por inversor de freqncia. Asseguintescaractersticasdevemserobservadasquandoforutilizadoum inversor de freqncia: 9Corrente nominal: Oinversordevertersempreasuacorrentenominaligualoumaiorquea corrente nominal do motor. Deve-se tomar cuidado porque um mesmo inversor poder ter vrias correntes nominais diferentes emfuno do tipo de carga e da freqncia de chaveamento.Normalmenteexistemdoistiposdecarga:torqueconstanteetorque varivel. 36A carga tipo torque constante aquela onde o torque permanece constante ao longodetodaafaixadevariaodevelocidadecomo,porexemplo,correias transportadoras, extrusoras, bombas de deslocamento positivo, elevao e translao de cargas. A carga tipo torque varivel aquela onde o torque aumenta com o aumento da velocidade,comoocasodebombaseventiladorescentrfugos.Osinversores especificadosparacargascomtorquevarivelnonecessitamdeumagrande capacidadedesobrecarga(10%a15%suficiente)eporissoasuacorrentenominal pode ser maior. Este mesmo inversor, se aplicado em uma carga com torque constante, necessitardeumacapacidadedesobrecargamaior(normalmente50%)e,portanto,a sua corrente nominal ser menor [14]. A freqncia de chaveamento tambm influi na corrente nominal do inversor. Quanto maior a freqncia de chaveamento do inversor, mais a corrente se aproxima de umasenideperfeitae,porisso,orudoacsticodeorigemmagnticageradopelo motor menor. Por outro lado, as perdas no inversor so maiores devido ao aumento na freqncia de operao dos transistores (perdas devido ao chaveamento). Normalmente a corrente nominal especificada para uma temperatura mxima de 40C e uma altitude mximade1000m.Acimadestesvaloresdeverseraplicadoumfatordereduona corrente nominal. 9Tenso nominal: Atensonominaldoinversoramesmadomotor.Aalimentaodo conversortrifsicaparapotnciasacimade5cv.At3cvpode-seteralimentao monofsica ou trifsica. A desvantagem da alimentao monofsica o desequilbrio de correntecausadonaredededistribuio(trifsica)eamaiorgeraodecorrentes harmnicas na rede. Paraalimentaotrifsicadeve-secuidarparaqueodesbalanceamentoentre fasesnosejamaiordoque2%,umavezqueumdesbalanceamentomaiorpode provocar um grande desbalanceamento de corrente na entrada, danificando os diodos de entrada. 379Gerao de harmnicas: AnormaIEEESTD519/92recomendavaloresmximosparaasharmnicas decorrentegeradasporumequipamento.Namaioriadoscasospossvelatender norma desde que se coloque na entrada do inversor uma reatncia de rede dimensionada paraumaquedadetensode4%emrelaotensofase-neutro,comcorrente nominal; e desde que a potncia total dos inversores instalados no ultrapasse a 20% da potnciatotaldainstalao.Seultrapassar,havernecessidadedeoutrasmedidasque dependero de uma anlise detalhada da instalao (sistema) eltrica. 9Compatibilidade eletromagntica: Para altas freqncias de chaveamento (acima de 9kHz), o inversor atua como gerador no intencional. Isto significa que equipamentos sensveis s altas freqncias (porexemplo,controladoresdetemperaturaatermopar,sensoresdiversosetc.)podem sofrerperturbaonasuaoperaodevidoaoinversor.Deve-se,portanto,verificarno manualdoinversoroscuidadosaseremtomadosnasuainstalao,paraqueseevite problemas de compatibilidade eletromagntica. NoApndiceBesclarecemosalgunspontosimportantesnainstalaodeum inversor de freqncia. 387 - Anlise Econmica em Conservao de Energia Asdecisesdeinvestimentoemalternativaseprojetosdeeconomiaeuso eficientedaenergiapassam,necessariamente,porumaanlisedeviabilidade econmica.Taisquestespodemseapresentardeduasformas:oudeseja-sedecidir sobre a escolha entre duas alternativas mutuamente excludentes, ou deseja-se conhecer a economia de uma dada alternativa. Estasanlises,emgeral,utilizam-sedendiceseconmicosquepermitem traduzir a atratividade de um investimento. Dentre estes ndices pode-se destacar o valor presente lquido, o valor anual uniforme, a taxa interna de retorno e o tempo de retorno de capital. Para a execuo de tais anlises procura-se moldar o problema real em uma formapadro,umfluxodecaixa,oquepermiteutilizar-sedecertasequaes previamente concebidas e, assim, avaliar economicamente o projeto. O fluxo de caixa 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, benefcio, receita e semelhantes, representado por uma seta apontando para cima. Por outro lado, tudo o que for gasto, despesa, investimento, custos representado porumasetaparabaixo.Afigura1.8apresentaumfluxodecaixaondefoifeitoum investimentoInoinstantezero(setaparabaixo)queresultaremumretornoanualA (seta para cima) durante n perodos de tempo, ou em um valor futuro F aps este mesmo perodo. Figura 1.8 Exemplo de fluxo de caixa. 39Aunidadedetempoutilizadapodeserqualqueruma.Anlisesanuaise mensaissomaiscomuns,umavezqueamaturaodestesprojetosnormalmenteest inserida dentro deste perodo de tempo. Nestepontoimportanteintroduziroquevemaserataxadejurosi.O conceitodataxadejurosprocuraexprimiroquevemaserovalordodinheiro.Por exemplo, desprezada qualquer inflao, para um indivduo, mais vale receber mil reais hoje do que esperar para receber daqui a um ano. Esta uma questo 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 prmio para que este indivduo espereparareceberoquelhedevido,pode-seusarataxadejurospararelacionaro valor futuro F com o valor presente P (equao 1.17). ) 1 ( i P i P P F + = + = (1.17) Quando se considera mais de um perodo de tempo, ou seja, para n perodos, obtm-se a equao 1.18. ni P F ) 1 ( + =(1.18) No caso da anlise de investimento com vrias anualidades o valor futuro ser dadopelasomadascontribuiesdecadaanuidadecorrigidapelataxadejuros.Seas anuidadeseosintervalosdetempoforemiguais,caracterizandoachamadasrie uniforme, pode-se obter uma equao generalizada (equao 1.19). iiA Fn1 ) 1 ( + = (1.19) Combinando-se as equaes 1.18 e 1.19 obtemos importantes relaes. ( )( ) 1 11 + +=nnii iFRC (1.20) 40nni iiFVP) 1 (1 ) 1 (+ += (1.21) CE FRC CA = (1.22) EmqueFRCofatorderecuperaodocapital(decimal), FVPofatorde valorpresente,iataxadejuros(decimal),nperododeamortizao(anosou meses),CAocustoanualizado(R$ano-1)oumensal(R$ms-1)eCEocustodo equipamento (R$). Podemos considerar duas situaes para aquisio de um equipamento: 9Atravsdefinanciamento,gerando-seanuidades,sobdadataxade juros, suficientes para pagamento no tempo estipulado pelo contrato que, normalmente, est em torno de 5 anos; 9 Aquisiosemnecessidadedeemprstimo,podendo-seamortizarao longo de toda a vida til do equipamento que, conforme fabricante, de 15 anos. Nesta ltima situao os retornos devero ser superiores a aqueles gerados por aplicaesfinanceirascompatveiscomovalordoequipamento,comocadernetade poupana, que atualmente possui taxas anuais de 6%. 7.1 Tempo de Retorno de Capital Para uma anlise de viabilidade econmica de motores, o critrio do tempo de retornodecapital,oupayback,semdvidaomaisdifundidonomeiotcnico, principalmente devido sua facilidade de aplicao. Nestes termos fala-se do chamado paybacknodescontado,isto,umprocedimentodeclculoondenoselevaem consideraoocustodecapital,ouseja,ataxadejuros.Essaanlisefeitaapenas dividindo-seocustodaimplantaodoempreendimentopelobenefcioauferido.Em outraspalavras,estecritriomostraquantotemponecessrioparaosbenefciosse igualem ao investimento. Aavaliaoconsistedacomparaoentreosbenefcioseoscustos,ambos mensais.Osbenefciosforamcalculadosapartirdareduodeenergiaconsumida 41devidoaousodomotordealtorendimentoaolongodoms;esteclculoconsisteda determinaodareduodeconsumodeenergiaproduzidapeloequipamentoem relaoaomotordebaixorendimento,multiplicando-apelotempodefuncionamento durante o ano e pelo preo da energia. Otempoderetornodescontadoonmerodeperodosquezeraovalor lquido presente, ou anual, do empreendimento. Neste caso, a taxa de juros adotada o prprio custo de capital. Igualando o valor presente a zero, tem-se a expresso 1.23. Ii iiAnn+ +) 1 (1 ) 1 ((1.23) Otempoderetornodocapitalpodesercalculadoalgebricamenteapartirda expresso 1.23, no que resulta a equao 1.24. ( )) 1 ln(1 lnii A In+ = (1.24) Sendo: nretorno do capital, em n perodo; Iinvestimento feito no instante zero, em R$; Aretorno por perodo, em R$; itaxa de juros, em decimal. 42Captulo 2 Manual do Usurio do Programa Prosk2003 1 Apresentao Nestecaptuloiremosapresentarumguiadousurio,demonstrandodeuma melhor forma o mtodo de utilizao deste software atravs de exemplos, mostrando a grande excelncia deste produto para o dimensionamento de um sistema de captao de gua. OProsk2003umaferramentaimportanteparaodesenvolvimentoe implementao da otimizao e eficientizao dos sistemas de captao de gua, o qual oferece ao usurio um ambiente interativo e de fcil configurao. No dimensionamento do sistema de captao de gua utilizada a seqncia de mtodos descritos no captulo 1. Naconstruodoprogramafoiutilizadaaferramentadeprogramao DELPHI, trabalhando com o banco de dados Paradox. Para dar incio ao programa v tela inicial do Windows clique, boto Iniciar Programas Prosk2003. Figura 2.1 Iniciando o Prosk2003. 432 Ambiente de Trabalho AocarregaroprogramaProsk2003,abarrademenueferramentasestar distribuda de acordo com a figura 2.2. Figura 2.2 Barra de menu e ferramentas. O uso da barra de ferramentas pode ser til para o acesso rpido aos comandos utilizados com maior freqncia. No menu Projeto (figura 2.3), podemos dar inicio a um novo projeto: 9Comtubulaopr-existente:parasistemaderecalquej implementado, no qual iremos apresentar o correto dimensionamento do conjunto moto-bomba e a seleo do sistema de acionamento; 9Semtubulaopr-existente:almdodimensionamentocitadona opoacimateremosoclculododimetrodatubulaoderecalqueesucoatravs do mtodo do dimetro econmico. Figura 2.3 Novo projeto. 44Em menu Cadastro (figura 2.4) temos a alternativa de alterar o banco de dados presentenoprograma,adicionandoouremovendotiposdecomponentes,motores, inversores, soft-starters e tubos. Figura 2.4 Menu cadastro. IndoemCadastroComponentesoupeaspodemosobservarquetemosa opo de excluir, alterar ou adicionar um novo componente com seu respectivo nmero de dimetro (figura 2.5). Figura 2.5 Cadastro de componentes ou peas. Omesmoacontecenocadastrodemotores(figura2.6),ondepodemos adicionarnovositensdiscriminadosporfabricante,nmerodeplos,rotao, rendimento e fator de potncia. Tendo motores trifsicos de alto rendimento e Standard como alternativa de melhor escolha para o projeto de sistema de recalque. EmCadastroTubos(figura2.7)podemosalteraritens,acrescentandoou excluindotiposdetuboscomseurespectivocoeficientederugosidade,mantendoo banco de dados atualizado. 45 Figura 2.6 Cadastro de motores. Figura 2.7 Cadastro de tubos. Na opo Cadastro Inversores podemos acrescentar novos modelos atravs daopoNovo(figura2.8),almdealteraraconfiguraodomodelojpresenteou fazer uma busca de um modelo. Figura 2.8 Cadastro de Inversores. 46ParaCadastrosoft-starterstemosasmesmasopesdeconfiguraoe busca de elementos (figura 2.9). Figura 2.9 Cadastro de Soft-Starters. Figura 2.10 Menu ferramentas. NomenuFerramentas(figura2.10)oprogramaoferecealgumasopes, dentre elas: 9Anliseeconmicaaplicadaamotoresdeinduotrifsicosnum cenrio de conservao de energia. Naanliseeconmicaoprogramaatravsdomtododopaybackdescontado apresenta uma comparao de tempo de retorno do investimento feito em um motor de altorendimentoemrelaoaumcomum.Comestanlisepodemosdeterminara melhor escolha de motor para o nosso sistema de captao de gua. Para fazer a anlise devemos selecionar os dois motores no banco de dados presente no programa, ou digitar manualmente os dados dos motores. 47Nestaanlisevamosconsiderarqueosmotoresestofuncionandoaplena carga, ou seja, fornecendo 100% de sua potncia nominal (ponto timo de rendimento) com um funcionamento em regime contnuo. ComummotordealtorendimentoWEG75cv1775rpmeumStandard WEG 75cv 1770rpm, trabalhando a uma carga de 12 horas por dia, apresentando um custodeR$3100e1800respectivamente,teremoscomoresultadodaanlise econmica a figura 2.11. Figura 2.11 Resultados da anlise econmica. Observandonafigura2.11vemosqueomotordealtorendimentotemuma economiadeR$37,47pormsemrelaoaomotorStandard,compensandodecerta forma seu valor superior de R$ 1300. Na escolha do motor de alto rendimento teremos o retorno do investimento em 50 meses, podendo ser uma boa alternativa. 489Gerador de grfico pelo mtodo dos mnimos quadrados. Estaferramentadegrandeutilidadeparasituaesonde ousurionecessita plotar alguma curva. Com no mnimo de trs pontos o programa interpola uma equao de 2 grau que mais se aproxima dos pontos inseridos (figura 2.12). Quantomaispontosforeminseridos,melhorseraaproximaodacurva desejada. Figura 2.12 Gerador de grfico. Nasprximasseesapresentaremosdoisexemplosdedimensionamentode sistema de recalque utilizando o programa. 493ExemplodeDimensionamentodeumSistemadeRecalque sem Tubulao Pr-existente Vamosiniciaroexemplodeumainstalaoderecalquesemtubulaopr-existente,naqualoobjetivodimensionarumainstalaoparaatenderademandade 200m3/h de vazo durante 24hs/dia, bombeando a uma altura de 24m. Para d inicio ao projeto v em Novo projeto Sem tubulao pr-existente. Asimulaoconsisteem6passosquedevemsernavegadosatravsdosbotesPasso anterior e Prximo passo. Passo 1 NoPasso1temososparmetroseaconfiguraodosistemaquedevemser preenchidos de acordo com o projeto a ser aplicado (figura 2.13). Figura 2.13 Projeto de sistema de recalque sem tubulao pr-existente. 50Comeamospreenchendoosdadosdosistema,comoavazorequeridade 200m3/h,velocidadedaguade1,5m/s,altitudedolocalde900meatemperaturada gua de cerca de 25C. Napartedesucousaremosumatubulaodeferrofundidonovocoma posiodabombaacimadonveldopoodesuco(bombadesucopositiva) possuindo a composio da tabela 2.1. Quantidade Suco 1Vlvula de p com crivo 1curva de 90 6 mcomprimento da tubulao 2 maltura de suco Tabela 2.1 Componentes da linha de suco. Parainserirumelementopertencentelinhadesucobastaclicarnoboto na janela Componentes ou peas na suco (figura 2.14) e acrescentar com a quantidade correspondente. Figura 2.14 Inserindo componentes na linha de suco. Feitoaconfiguraodapartedesucopartimosparaalinhaderecalquea qual tambm utilizaremos uma tubulao de ferro fundido novo. A composio da linha de recalque de acordo com a tabela 2.2. 51Quantidade Recalque 1Vlvula de reteno 3curvas de 90 2curvas de 45 1registro de gaveta 1sada de tubulao 1000 mcomprimento da tubulao 24 maltura do recalque Tabela 2.2 Componentes da linha de recalque. Paraaconfiguraodalinhaderecalqueproceda-sedamesmaforma, entrandocomosvaloresdaalturaderecalque,comprimento,tipodetubulaoeos componentes. Depoisdeconfiguradoalinhaderecalqueesuco,teremosfinalizadoeste passo, tendo a tela preenchida de acordo com a figura 2.15. Figura 2.15 Parmetros e configurao do exemplo sem tubulao pr-existente preenchido. 52Passo 2 NoPasso2temososvalorescalculadosdodimetrodatubulaoparao dimensionamento da linha de recalque e suco. Figura 2.16 Clculos obtidos do exemplo sem tubulao pr-existente. Napartedeclculoscomopodemosobservarnafigura2.16,osvalores comerciais dos dimetros de suco e recalque devem ser fornecidos, respectivamente, acimadocalculadoparaasucoeabaixodocalculadoparaorecalque.Aps preenchidos os valores do dimetros, clicamos no boto calcular. Osresultadossoapresentadosdeumaformaquepodemosanalisar separadamenteostrechosdesucoederecalque,analisandoosvaloresdeperdade carga parcial de cada linha e o valor total apresentado no sistema (figura 2.17). Finalizadoestparte,agorapodemospassarparaoprximopasso.Nopasso seguinte partimos para a especificao da bomba e determinao do ponto de trabalho. 53 Figura 2.17 Clculos obtidos do exemplo sem tubulao pr-existente. Passo 3 Atravsdogrficodepr-seleodebombasdeumadeterminadamarca,o usurioterinformaesdequaiscatlogosconsultararespeitodaseleo propriamentedita.Locandoopontodetrabalhonestegrficodeterminadoquala famliaidealdebombasparaoprojetoemanlise.Comoavazorequeridade 200m3/heaalturamanomtricaede42,78m,utilizandoogrficodepr-seleoda bombaMark-Peerless(figura2.18)encontramosafamliadebombasRO16como sendoamaisadequadaparaasituaocriada.Omodeloescolhido,compatvelcomo projeto, possui um dimetro de rotor de 310mm e rotao de 1750rpm. Para o correto dimensionamento da bomba evitando o fenmeno da cavitao deve-seobteroNPSHrequeridodiretamentedacurvacaractersticacorrespondentedo modelodabombaescolhida,ecompar-lacomoNPSHdisponvelcalculadopelo programa.ConsultenocatlogoogrficoNPSHrequeridoversusVazodabomba 54selecionada(figura1.5)everifiqueparaovalordavazodeprojetoovalordo NPSHrequeridoecomparecomoNPSHdisponvel,observequeacondioNPSHdisponvel > NPSHrequerido deve ser verdadeira para que no haja problemas de cavitao. Neste caso a bomba Mark-Peerless modelo RO 16 possui, de acordo com a curva caracterstica, um NPSHrequerido = 0,8m, sendo menor do que o NPSHdisponvel calculado pelo programa. Figura 2.18 Grfico de pr-seleo 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. 55Passo 4 No Passo 4 consulte no catlogo o grfico altura manomtrica versus vazo da bombaselecionada(figura2.20)eforneaalgumascoordenadassobreestacurvapara queoprogramapossaencontrar,atravsdomtododosmnimosquadrados,uma equao aproximada da curva da bomba para que se possa calcular o ponto de trabalho fazendo a interseo da curva da bomba com a curva do sistema. Figura 2.20 Grfico Altura manomtrica versus Vazo da bomba Mark-Peerless. Paraacharaaproximaodacurvadabombaoprogramaprecisanomnimo de trs pontos, sendo que quanto maior for o nmero de pontos fornecidos maior ser a preciso da equao, chegando a uma interpolao da curva satisfatria. VazoAltura manomtricaVazoAltura manomtrica 04920044,5 5048,525040,5 1004830035 1504735026 Tabela 2.3 Pontos da curva da bomba para o sistema sem tubulao existente. Depoisdoclculodaequaoaproximadadacurvadabombapodemos determinaropontodetrabalhoatravsdaintersecodacurvadosistemacomada 56bomba. No Passo 4 o programa traar os dois grficos, determinando assim o ponto de trabalho da bomba (figura 2.21 e 2.22). Figura 2.21 Interseco das curvas do sistema com a da bomba. Figura 2.22 Ponto de projeto para o exemplo sem tubulao pr-existente. Comascurvastraadastemosopontodetrabalhodabombaparaocorreto dimensionamento da mesma. Se houver uma grande diferena entre os valores do ponto de trabalho e o do ponto de projeto, podemos contornar esta diferena com um dos trs procedimentos abaixo: Curva do Sistema Curva da Bomba Ponto de Trabalho Pontos inseridosVazo [m/h]350 300 250 200 150 100 50 0Altura manomtrica [m]545250484644424038363432302826579Controlaravazoatravsdeuminversorousoft-starter,reduzindo assim quantidade de vazo desejada atravs do controle de velocidade 9Alterar o dimetro do rotor, mantendo-se a rotao constante 9Alterar a rotao do rotor, mantendo-se o dimetro constante Passo 5 No Passo 5 temos a escolha do motor trifsico (figura 2.23), apresentando dois tipos de classes de motores com tenso de 380V: 9Motor trifsico de Alto rendimento 9Motor trifsico Standard Figura 2.23 Resultado da escolha do motor para o exemplo sem tubulao pr-existente. Antes de iniciar o prximo passo devemos fornecer o valor do rendimento da bombaescolhida,oqualobtidoatravsdeumgrficovazoversusrendimento 58fornecidopelofabricante.NocasodabombaMark-PeerlessmodeloRO16o rendimentode77%.Comorendimentodabombaconhecidocalculadoovalorda potncia requerida pelo sistema de 41cv. Para este sistema de recalque escolhemos o motor WEG 50cv 1770rpm alto rendimento. Para o acionamento do motor temos opes de soft-starters ou inversores. Para a efetuar a escolha basta clicar e marcar o equipamento correspondente. Paraodimensionamentodosoft-starterconsideradoomtodoapresentado no item 6.1. O programa apresentou segundo este mesmo mtodo dois modelos de soft-starters como opo 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. 59Passo 6 Neste passo apresentado um relatrio com os principais resultados obtidos no dimensionamento do sistema de recalque. Sistema: Vazo: 200 [m/h] Velocidade da gua: 1,5 [m/s] NPSH disponvel: 6,518 [m] Perda de carga total: 16,777 [m] Altura manomtrica: 42,777 [m] Ponto de trabalho da bomba: Hm=43,746 [m] ; vazo=206,155 [m/h] Potncia requerida: 41,030 [cv] Suco: Tipo de tubulao: Ferro fundido, novo Comprimento da tubulao: 6 [m] Dimetro da tubulao: 250 [mm] Recalque: Tipo de tubulao: Ferro fundido, novo Comprimento da tubulao: 1000 [m] Dimetro da tubulao: 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 plos, 1770 rpm Padro: Standard Soft-starter: Weg SSW-04 85/220-440, 60 cv, 85 A Inversor: Weg 0086 T 3848 P S, 60 cv, 86 A 604ExemplodeDimensionamentodeumSistemadeRecalque com Tubulao Pr-existente Nocasodeumsistemaderecalquecomtubulaopr-existentevamos exemplificar um dimensionamento de um sistema de captao de gua de uma indstria alimentcia,naqualaguautilizadaemdiversospontosdesualinhadeproduo, quersimplesmenteparaalavagemdematria-prima,sejanaesterilizaoe resfriamento, ou na preparao de produtos e produo de vapor. Acaptaodeguabrutafeitanocrregoquepassanasvizinhanasda empresa. No perodo chuvoso, durante cerca de quatro meses ao ano, necessrio que a guabrutapasseporumpr-tratamento,quefeitonumaestaodetratamentolocal (ETA). O nosso objetivo efetuar o dimensionamento desses dois subsistemas (MB1 e MB2). O Apndice D ilustra o esquema de captao detalhado da empresa. Medieseobservaesforamefetuadasnaempresa,especificamentenos locais da captao at o reservatrio principal a partir do qual a gua distribuda para atender as aplicaes (tabela 2.4). Dados do sistema de suco (MB1) Medidas(m)ComponentesQuant.Comprimento do primeiro trecho de ferro 12"2,2Entrada normal2 Comprimento do segundo trecho de ferro 8"1,5Vlvula de p com crivo1 Ampliao1 Dados do sistema de recalque de gua bruta (MB1) Medidas(m)ComponentesQuant.Comprimento trecho OA em ferro de 8"20,0Juno2 Comprimento trecho AB em PVC de 10"90,0Curvas de 907 Comprimento trecho BD em PVC de 10"90,0Te, passagem direta3 Comprimento trecho BC em ferro de 8"30,0Sada de tubulao3 Desnvel do sistema23,2Vlvula de reteno4 Dados do sistema de recalque de gua pr-tratada (MB2) Medidas(m)ComponentesQuant.Comprimento trecho CB em ferro 8"63,0Curva de 908 Comprimento trecho AD em PVC 10"180,0 Vlvula de reteno3 Desnvel do sistema18,8Registro de gaveta1 Te, passagem direta3 Sada de tubulao2 Entrada normal1 Tabela 2.4 Dados colhidos sobre o sistema de captao de gua. 61Avazorequeridaparaorecalquedaguade400m3/h.Atemperaturada gua e de cerca de 20C, com altitude do local de 600m em relao ao nvel do mar e tendoaposiodabombaacimadonveldopoodesuco(bombadesuco positiva). Emambasasinstalaeshidrulicas,astubulaesdesucoederecalque apresentamdimetrosdiferentes,inclusiveapresentandotubulaescomrugosidades distintas.Porestarazo,necessriotrabalharcomcondutosequivalentesnoclculo das perdas de carga distribudas (Apndice A). ParadarincioaumnovoprojetovparaNovoprojetocomtubulaopr-existente (figura 2.25). Figura 2.25 Novo projeto com tubulao pr-existente. Natelaseguintedevemserpreenchidososparmetrosiniciaisdoprojetode recalque. Na parte de suco e recalque deve-se fornecer o nmero de trechos em srie presentes em cada linha separadamente com sua respectiva altura geomtrica. A diviso por trechos serve para o correto dimensionamento da instalao, pois teremos todos os dadosnecessriosparacalcularasperdasdecarga,aquallevamemcontaotipode tubulao, dimetro e os diversos componentes presentes. Umatubulaopodeserdivididaportrecholevandoemconsideraono processodediversificaoalgumascaractersticasdistintascomoodimetrodotubo, tipodetubulao,componentesedisposiodostubos.Comoexemplotemosafigura 2.26, onde vemos uma tubulao dividida em dois trechos, onde o primeiro possui dois tubosemparalelo,amboscomdimetrode12esendodeferrofundidonovo.O segundotrechoapresentaumtubodeferrofundidonovocomdimetrode8.Neste caso os trechos so divididos devido disposio e dimetro distinto deles. 62 Figura 2.26 Esquema da tubulao de suco. Figura 2.27 Esquema da tubulao de recalque do subsistema MB1. 634.1 Subsistema MB1 Afigura2.26representaatubulaodesucodosistema,ondejsabemos quecompostodedoistrechos.AtubulaoderecalqueparaosubsistemaMB1 ilustrada na figura 2.27. Neste caso dever ser considerado o pior caso j que, por cerca de quatro meses ao ano, a gua bruta desviada para o reservatrio de pr-tratamento e, nos demais meses, passa diretamente para o reservatrio principal. Na tubulao de recalque teremos dois casos distintos: quando a gua percorre o caminho OC para passar pelo tanque de tratamento e quando no necessrio fazer o tratamento,percorrendoassimocaminhoOD.Paraoprimeirocasotem-sea configurao de trs trechos divididos em OA, AB e BC. No segundo percurso quando a gua no precisa de tratamento temos dois trechos definidos em OA e AD. Partimosparaaexecuodoprimeirocasopreenchendoosparmetrosdo sistema(figura2.28)eindicandoonmerodetrechosparaasucoeorecalque, lembrandoquenesteprojetoiremosconsideraraposiodabombaacimadopoode suco. Figura 2.28 Parmetros do sistema MB1. 64Paraalinhadesucoerecalquemediesforamefetuadasnaempresa, especificamentenoslocaisdacaptaoatoreservatrioprincipalapartirdoquala guadistribudaparaatenderasaplicaes.Osdadoscolhidosnolocalesto apresentados na tabela 2.4. Um dos resultados medidos foi o desnvel da suco de 2,2m e de 8,2m para o recalque utilizando o trajeto OC. Figura 2.29 Configurao dos trechos. Quantidade Suco 1Entrada normal 1Vlvula de p com crivo 1Ampliao 2Tubos em paralelo 2,2 mcomprimento da tubulao Tabela 2.5 Componentes do primeiro trecho da suco 65Passandoparaafasedeconfiguraodosistema(figura2.29)teremosque definirotipodetubulaoeoscomponentespresentesparacadatrecho,almdo dimetro e disposio dos tubos. Para o primeiro trecho de suco (figura 2.30) temos a composio de acordo com a tabela 2.5. Entrandocomoscomponentesatravsdobotoinserir(figura2.30)teremos configurado o primeiro trecho de acordo com a tabela 2.5. Figura 2.30 Configurao do primeiro trecho da suco. Para o segundo trecho temos a tabela 2.6 e a figura 2.31. Quantidade Suco 1Entrada normal 1,5 mcomprimento da tubulao Tabela 2.6 Componentes do segundo trecho da suco. Figura 2.31 Configurao do segundo trecho da suco. 66Para a linha de recalque temos os seguintes trechos: Trecho AO: tubulao de ferro fundido em uso, apresentando um dimetro de 8. QuantidadeRecalque Trecho OA 1Sada de tubulao 1Vlvula de reteno 2Curva de 90 1Te, passagem direta 1Juno 20 mcomprimento da tubulao Tabela 2.7 Componentes da linha de recalque trecho OA. Trecho AB: tubulao de PVC com dimetro de 10. QuantidadeRecalque Trecho AB 1Curva de 90 1Juno 1Te, passagem direta 90 mcomprimento da tubulao Tabela 2.8 Componentes da linha de recalque trecho AB. Trecho BC: tubulao de ferro fundido em uso com dimetro de 8. QuantidadeRecalque Trecho BC 1Juno 2Vlvula de reteno 1Sada de tubulao 30 mcomprimento da tubulao Tabela 2.9 Componentes da linha de recalque trecho BC. Depoisdeconfiguradostodosostrechos,podemosanalisarosresultados obtidos atravs da figura 2.18. Na tela de resultados podemos analisar separadamente os valores de perda de carga unitria e parcial de cada trecho. 67 Figura 2.32 Resultados das linhas de suco e recalque OC. Nocasoquandoaguanoprecisadetratamento,tendoassimpercorrero caminhoOD,temosaconfiguraodedoistrechosparaorecalque,permanecendoa mesmaconfiguraoparaasucoeotrechoOA.Portantotemosquesomente modificaraalturadorecalquenateladeparmetrosiniciaiseaconfiguraodos trechos 2 e 3 do recalque. O desnvel paraotrechoADmedidofoide23,2mtendoos componentes da tabela 2.10 para o trecho AD. QuantidadeRecalque Trecho AD 1Sada de tubulao 1Vlvula de reteno 5Curva de 90 2Te, passagem direta 1Juno 180 mcomprimento da tubulao Tabela 2.10 Componentes da linha de recalque trecho AD. 68 Figura 2.33 Configurao do trecho AD. Verificamos que a partir dos clculos feitos que a potncia do motor requerida no sistema pior na situao que corresponde ao trajeto OD, a qual nos forneceu uma maior perda de carga somada a altura manomtrica. De acordo com o calculado temos uma altura manomtrica de 36.6m para uma vazo de 400m3/h, dados suficientes para localizar o tipo de bomba necessrio para este projetoatravsdeumcatlogo.VamosutilizarumabombamodeloKSBMeganorm 1750rpm.Nafigura2.35temosogrficodepr-seleodestemodelodebombaonde podemos observar que o tipo a ser aplicado e a Meganorm 125-315. Figura 2.34 Resultados das linhas de suco e recalque OD. 69. Figura 2.35 Grfico de pr-seleo da bomba KSB [11]. Para o correto dimensionamento da bomba evitando o fenmeno da cavitao devem-seobteroNPSHrequeridodiretamentedacurvacaractersticacorrespondentedo modelo de bomba escolhida e compara-la com o NPSHdisponvel calculado pelo programa. ConsultenocatlogoogrficoNPSHrequeridoversusvazodabombaselecionadae verifiqueparaovalordavazodeprojetoovalordoNPSHrequeridoecomparecomo NPSHdisponvel,observequeacondioNPSHdisponvel versusNPSHrequeridodeveser verdadeira para que no haja problemas de cavitao. Neste caso a bomba KSB modelo Meganorm125-315possuideacordocomacurvacaracterstica(figura2.36)um NPSHrequerido = 4,25m, sendo menor do que o NPSHdisponvel calculada pelo programa. Atravs do grfico da bomba (figura 2.36) extramos o valor do rendimento da mesma,79%.Domesmogrficoobtemosodimetrodorotorde319eospontos necessrios para determinao da aproximao da curva da bomba para obter o ponto de operao. 70 Figura 2.36 Grfico da bomba KSB modelo Meganorm 125-315 [11]. Vazo Altura manomtrica052,5 5052,5 10052,0 15051,5 20050,5 25048,5 30045,5 35042,5 Tabela 2.11 Pontos para a interpolao do grfico da bomba. Inserindoospontos(tabela2.11)nosdadosdoprojetopodemosagorapassar para a Passo 5 onde temos o ponto de trabalho e a interseo das curvas do sistema com a da bomba. Neste projeto obtivemos o ponto de operao da bomba bem prximo ao do projeto (figura 2.37 e 2.38). 71 Figura 2.37 Interseo dos grficos da bomba e do sistema para o subsistema MB1. Figura 2.38 Ponto de trabalho do subsistema MB1. NoPasso6,comovalordorendimentodabombaiguala79%,obtemosa potncia mecnica necessria de 70,49cv. Aps feitos a escolha do motor e seu sistema de acionamento podemos passar para o Passo 7, onde teremos um relatrio. 72Sistema: Vazo: 400 [m/h] NPSH disponvel: 6,199 [m] Perda de carga total: 12,256 [m] Altura manomtrica: 37,656 [m] Potncia requerida: 70,495 [cv] Suco: N de trechos: 2 Perda de carga: 0,958 [m] Recalque: N de trechos: 2 Perda de carga: 11,299 [m] Bomba escolhida: Fabricante: KSB Modelo: Meganorm 125-315NPSH requerido: 4,25 [m] Rendimento: 79 % Motor e acionamento escolhidos Motor: Siemens, 75 cv, 4 plos, 1800 rpm Padro: Standard Soft-starter: Siemens 3RW22 21-1AB15, 100 cv, 135 A Inversor: Weg 0142 T 3848 P S, 100 cv, 142 A 734.2 Subsistema MB2 No subsistema MB2, mostrado pela figura 2.39, temos o recalque da gua do tanquedepr-tratamentoparaoreservatrio.Osparmetrosiniciaissoomesmodo subsistema MB1, diferenciando somente na configurao dos trechos. Na suco temos apresenadesomenteumtrechoqueinterligaotanqueaosistemadebombeamento (moto-bomba), diferente do recalque que apresenta dois trechos com tubos de dimetro e componentes diferentes. Figura 2.39 Esquema da linha de recalque e suco do subsistema MB2. Asucoapresentatubodeferrofundidoemusocomdimetrode8e componentes de acordo com a tabela 2.12. QuantidadeSuco 1Curva de 90 1Vlvula de reteno 1Entrada normal 1 mcomprimento da tubulao Tabela 2.12 Componentes da linha de suco do subsistema MB2. 74Trecho CB: tubulao de ferro fundido em uso com dimetro de 8 QuantidadeRecalque trecho CB 3Curva de 90 1Vlvula de reteno 1Registro de gaveta 1Te, passagem direta 1Sada de tubulao 63 mcomprimento da tubulao Tabela 2.13 Componentes da linha de recalque trecho CB. Trecho BD: tubulao de PVC com dimetro de 10. QuantidadeRecalque trecho BD 4Curva de 90 1Vlvula de reteno 2Te, passagem direta 1Sada de tubulao 90 mcomprimento da tubulao 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 amelhorbomba.Dogrficodafigura2.35obtmabombaKSBmodeloMeganorm 125-315comrotor319,amesmautilizadanosubsistemaMB1.VerificandooNPSH 75vemosqueacondiodecavitaoeobedecida.Inserindoosvaloresdatabela2.12 temos o ponto de trabalho e o grfico da figura 2.41. Figura 2.41 Grfico de interseco das curvas para o subsistema MB2. DepoisdefazeraescolhadomotoreosistemadeacionamentonoPasso6 podemos gerar um relatrio com o resumo do dimensionamento do nosso sistema. Sistema: Vazo: 400 [m/h] NPSH disponvel: 5,185 [m] Perda de carga total: 17,446 [m] Altura manomtrica: 37,246 [m] Potncia requerida: 69,726 [cv] Bomba escolhida: Fabricante: KSB Modelo: Meganorm 125-315NPSH requerido: 4,25 [m] Rendimento: 79 % Motor e acionamento escolhidos Motor: Siemens, 75 cv, 4 plos, 1800 rpm Padro: Standard Soft-starter: Siemens 3RW22 21-1AB15, 100 cv, 135 A Inversor: Weg 0142 T 3848 P S, 100 cv, 142 A 76Concluso Nocontextodeeficinciaenergtica,claraanecessidadedeinvestirem projetosdeusoracionaldaenergiaeltricaeeficientizaodasinstalaesindustriais emgeral,sejamelaseltricas,hidrulicas,mecnicasouemqualquerprocessode industrializao de produtos.Ainstalaohidrulicadecaptaodeguanumaindstria,paraseu funcionamento, requer o uso da energia eltrica pelos motores eltricos que acionam as bombas.Constatamosquemuitosepodecontribuireefetivamenteserrealizadoneste campoparaeconomizarenergiaetambmrecursosnaaquisiodeequipamentos corretamente dimensionados. O nosso propsito foi de trabalhar no sentido de mostrar os procedimentos que levamaumprojetootimizadodeumsistemadecaptaodeguajuntamentecomo desenvolvimentodeumsoftwarequeutilizaestesprocedimentosparaocorreto dimensionamento do sistema de recalque, tendo assim colaborado na eficientizao das instalaes industriais. 77Referncias Bibliogrficas [1]SILVESTRE,Paschoal.HidrulicaGeral.RiodeJaneiro:LivrosTcnicose Cientficos Editora S.A, 1982, 316 p., ISBN 85-216-0199-9. [2] GILES, Ronald V. Mecnica dos Fluidos e Hidrulica. Coleo Schaum. So Paulo: Editora McGraw-Hill do Brasil, 1980, 412 p. [3] ESTRELLA, Guillermo Snchez. Sistema Internacional de Unidades. So Bernardo do Campo: Editora Andina, 1978, 168 p. [4]CREDER,Hlio.InstalaesEltricas.RiodeJaneiro:EditoraLTC,14a.Edio, 2000, 480 p. ISBN 85-216-1232-X. [5]NISKIER,JeMACINTYRE,A.J.InstalaesEltricas.RiodeJaneiro:Editora LTC, 4a Edio, 2000, 550 p. ISBN 85-216-1250-8. [6]FOX,RobertW.eMcDONALD,AlanT.IntroduoMecnicadosFluidos.Rio de Janeiro: Editora LTC, 4a. Edio revista, 1998, 662 p. ISBN 85-216-1078-5. [7]NETTO,JosM.deAzevedoeLVARES,GuillermoA.ManualdeHidrulica. So Paulo: Editora Edgard Blcher Ltda, 6a Edio 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-Hall1st edition. 1997. ISBN: 0023511826. [10] Catlogo de bombas da KSB, 2003. [11] Catlogo de bombas da IMBIL, 2003. [12] Catlogo de motores da WEG, 2003. [13] Catlogo de motores da SIEMENS, 2003. [14] Catlogo de inversores e soft-starters da WEG, 2003. [15] Guia de aplicao 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. 78Apndice A Clculo da Altura Manomtrica Aalturamanomtrica,designadapelosmbolo mH ,compostadeduas parcelas:(1)aalturageomtricaouesttica, gH ;(2)aperdadecargalocalizada observada durante a operao do sistema de recalque. A.1 - Altura Geomtrica A altura geomtrica obtida da soma das alturas e distncias medidas no local de instalao (ou projetadas) nas linhas de suco e de recalque. A frmula (A.1) define gH : ) 1 . ( A h h Hs r g+ = As Figuras A.1 e A.2 ilustram como so definidas as alturas rh e sh . Figura A.1 Definies das alturas utilizadas no clculo da altura geomtrica. 79 Figura A.2 Definies das alturas utilizadas no clculo da altura geomtrica (caso em que sh negativo). A.2 - Perdas Dinmicas Quandoosistemaderecalqueestoperando,verificamosperdasdecarga decorrentes do escoamento do fluido. A frmula emprica de Hazen-Williams relaciona avelocidadedofluidocomosparmetrosderugosidade,raiohidrulicoeperdade carga unitria, conforme indica a equao (A.2). ) 2 . ( 85 , 054 , 0 63 , 0A J R C V =Sendo: V a velocidade do fluido em sm; C a rugosidade relativa do material do tubo; R o raio hidrulico emm; J a perda de carga unitria. Atravs da equao da continuidade possvel associar a expresso (A.2) com a vazoQ, que resulta em (A.3). 80 ) 3 . ( 641 , 1085 , 1 87 , 485 , 1AC DQJ = Para obter a perda de carga dinmica total, calculamos o comprimento virtual da tubulao nas linhas de suco e de recalque, respectivamente aplicando as frmulas (A.4) e (A.5). ) 4 . ('A L J hs s s = ) 5 . ('A L J hr r r = O clculo dos comprimentos virtuais deve levar em conta as perdas localizadas alm do comprimento da prpria tubulao em seus correspondentes trechos de suco e de recalque. A.3 - Clculo das Perdas Localizadas Perdaslocalizadassodecorrentesdapassagemdefluidoporpeas,curvase outros componentes que dificultam o trajeto do mesmo desde o reservatrio fonte at o reservatrio destino. ATabelaA.1,extradadareferncia[1],possibilitaoclculodos comprimentos virtuais em termos de nmero de dimetros da tubulao para a avaliao das perdas localizadas. OparmetroC quearugosidaderelativa,presentenafrmuladeHazen-Williams fornecido na Tabela A.2. 81 PeaNmero de dimetro Ampliao gradual12 Cotovelo de 9045 Curva de 9030 Cotovelo de 4520 Curva de 4515 Entrada normal17 Entrada de borda35 Juno30 Reduo gradual6 Registro de gaveta (aberto)8 Registro de globo (aberto)350 Registro de ngulo (aberto)170 Sada de tubulao35 Te, passagem direta20 Te, sada bilateral65 Vlvula de p com crivo250 Vlvula de reteno100 Tabela A.1 Comprimentos virtuais de peas. TubosValores de C Ao corrugado60 Ao com juntas "lock-bar", novos135 Ao galvanizado (novos e em uso)125 Ao rebitado, novos110 Ao rebitado, em uso85 Ao soldado, novos120 Ao soldado, em uso90 Ao soldado com revestimento especial (novos e em uso)130 Chumbo130 Cimento amianto135 Cobre130 Concreto - acabamento liso130 Concreto - acabamento comum120 Ferro fundido, novos130 Ferro fundido, em uso90 Ferro fundido, tubos revestidos de cimento110 Grs cermico vidrado (manilhas)110 Lato130 Madeira, em aduelas120 Tijolos, condutos com revestimento de cimento alisado100 Vidro140

Tabela A.2 Rugosidade relativa de tubulaes. 82A.3.1-PerdadeCargaDistribudaemCondutosMistose Mltiplos Umasituaoquepodeseapresentaraoprojetistaquandoeletemde determinaraperdadecargaemumconjuntodecondutosqueapresentamdimetros, comprimentos e coeficientes de rugosidade diferentes, os quais podem estar em srie ou emparalelo.Nestescasos,precisamossabercomoconsideraraperdadecarga distribuda total. 9Tubulaes em srie: A perda de carga distribuda total a soma das perdas de carga dos diferentes trechos de tubulaes que compem o tubo misto. Assim, para n sees, temos a relao (A.6). ) 6 . (1A h hnii = = Asperdaslocalizadasdevidosmudanasdeseosodesprezadasneste clculo e, como os tubos esto em srie, a vazo a mesma,Q. 9Tubulaes em paralelo: Ser considerado nesta anlise apenas o caso emqueastubulaestmrugosidadesiguais.AvazoQrecebidanoentrocamento inicial,A,divide-seentreeles,deacordocomsuascaractersticas,demodoque,no entrocamentofinal,B,voltaaassumiromesmovalor.AFiguraA.3ilustraasituao sob anlise. Figura A.3 Tubulaes de mesma rugosidade em paralelo (tubos mltiplos). i i iQ D L , ,j j jQ D L , ,k k kQ D L , ,Q Q 83BaseandonaequaoA.3,comoavazototalasomadasvazesnos diferentestuboseaperdadecargadistribudadeumcondutoequivalentede comprimento eqLe dimetro eqD , podemos escrever as expresses A.7,A.8 e A.9. onde, 85 , 1641 , 10C= . SetodososcomprimentosforemiguaisaL ,temosaexpressoparao dimetro equivalente dada conforme (A.10) paraNcondutos em paralelo. 38 , 0163 , 2|.|

\|= =Nii eqD D (A.10