eficiencia energetica bombeamento de agua

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA PARAÍBA

DEPARTAMENTO DE ENSINO TÉCNICO

COORDENAÇÃO DO CURSO TÉCNICO EM ELETROTÉCNICA

CAIO CHACON DA ROCHA BRASIL

MARGARETH MEE GOMES DE LIMA

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE BOMBEAMENTO

JOÃO PESSOA

2014




Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao

Curso Técnico de Eletrotécnica do Instituto

Federal de Educação da Paraíba - IFPB como

requisito parcial à obtenção do grau de Técnico em

Eletrotécnica, tendo como orientador Prof.

Ronimack Trajano de Souza.

JOÃO PESSOA

2014




Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao

Curso Técnico de Eletrotécnica do Instituto

Federal de Educação da Paraíba - IFPB como

requisito parcial à obtenção do grau de Técnico em

Eletrotécnica, tendo como orientador Prof.

Ronimack Trajano de Souza.

Professor Ronimack Trajano de Souza ______________________________

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba.

Professor (a) Michele____________________________________________


Professor Arthur________________________________________________


João Pessoa, 11 de março de 2014.

A Deus.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos antes de tudo a Deus pelo dom da vida e por sua infinita bondade e

amor.

Ao nosso querido professor de automação predial e industrial e amigo, Ronimack

Trajano de Souza, pela orientação no desenvolvimento deste trabalho e contribuição para

nossa formação intelectual e moral.

Ao nosso professor de metodologia, Jivago Correia Barbosa, também pela colaboração

no aprimoramento de nossas capacidades.

A todos os professores e funcionários do IFPB e do IFMA que diretamente ou

indiretamente ajudaram-nos a crescer, com ensinamentos e fundamentações, teóricas e

práticas, durante todo o curso técnico em eletrotécnica.

Aos nossos colegas, amigos e família que fizeram parte dessa caminhada que chega ao

fim com a conclusão e apresentação deste trabalho. Especialmente a José Elias e Adriana,

Emanuel e Kallina por seus ensinamentos, incentivos, apoio e amor.

“A tarefa não é tanto ver aquilo que ninguém

viu, mas pensar o que ninguém ainda pensou

sobre aquilo que todo mundo vê.” (Arthur

Schopenhauer).

RESUMO

Este trabalho consiste em apresentar os resultados obtidos através da adoção de medidas de

eficiência energética em um sistema de bombeamento para uma instalação predial de água

fria, destinado ao abastecimento de água potável. Os sistemas de bombeamento prediais

comumente utilizados apresentam abastecimento indireto, quando a água é armazenada em

reservatórios e destes é distribuída aos pontos de consumo desperdiçando assim a pressão

advinda da rede de abastecimento, isso gera um gasto extra de energia que poderia ser

evitado, caso fosse adotado o sistema de abastecimento direto. Diante disso desenvolveu-se

um estudo de caso envolvendo um sistema de bombeamento em funcionamento para analisar

o seu respectivo consumo de energia. A partir dessa análise foi proposto um sistema

utilizando uma bomba booster para o aproveitamento da pressão originada da rede de

abastecimento e, além disso, foi elaborado um sistema de automação através do software

Click02 Edit para o controle do bombeamento. É preciso ressaltar que o uso desse sistema não

se restringe apenas a prédios residenciais, podendo ser usado para outras aplicações como

indústrias, companhias de água e abastecimento. Através do estudo realizado ficou evidente

que o aproveitamento da pressão na rede de abastecimento contribui para uma redução no

consumo de energia e consequentemente gera benefícios ambientais e econômicos.

Palavras-chave: Sistema de bombeamento; Eficiência energética; Booster; Automação;

Motobombas.

ABSTRACT

This work is based in the presentation of results obtained due to the adoption of energy

efficiency’s atitudes in a pumping system for a building installation of cold water destined to

the drinking water supply. The building pumping systems commonly used have indirect

supply, when water is stored in reservoirs and from them it's distributed to consumption

points thereby wasting the acquired network pressure, this fact generates a extra energy

wastage that could be avoid, if the system were directed. Thus was developed a case study

involving a pumping system in operation to analyze its respective consumption. From this

analysis it was proposed a system using a booster pumping motor to take advantage of the

pressure from supply network and, moreover, it was elaborated a automation system through

the Clic02 Edit software for the pumping control. It should be emphasized that this system

utilization is not restricted just for residential buildings, but it could be used to others

aplications, as industry and water companies. Through the study, became evident that the use

of pressure in network contributes for reduction of energy consumption and hence generates

environmental and economic benefits.

Keywords: Pumping Systems; Energy Efficiency; Booster; Automation; Pump motors.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Selo PROCEL .......................................................................................................... 17

Figura 2 - Inversores de Frequência Série CFW09 .................................................................. 19

Figura 3 - Sistema Direto de bombeamento ............................................................................. 20

Figura 4 - Sistema Indireto de bombeamento. .......................................................................... 21

Figura 5 - Componentes da bomba centrífuga.......................................................................... 22

Figura 6 - Bomba Booster. ....................................................................................................... 24

Figura 7 - Curva Bomba ME -2 AP-27 .................................................................................... 25

Figura 8 - IHM com o software LOGO!................................................................................... 28

Figura 9 - Esquema de montagem do CLP LOGO! ................................................................. 29

Figura 10 - Kit para Automação com comando bimanual........................................................ 30

Figura 11 - Exemplo de TM para interação com os processos industriais ............................... 32

Figura 12 - Válvula solenoide modelo VPS-700.4. .................................................................. 33

Figura 13 - SN eletrônico. ........................................................................................................ 34

Figura 14 - Sistema de Bombeamento do Prédio ..................................................................... 35

Figura 15 - Dados de Placa da Bomba ..................................................................................... 36

Figura 16 - Medição com o multimedidor. ............................................................................... 37

Figura 17 - Curva da bomba ME - HI9 .................................................................................... 39

Figura 18 - Curva rendimento x Vazão .................................................................................... 40

Figura 19 - Quadro de comandos da bomba de abastecimento e de emergência. .................... 40

APÊNDICE A - Esquema de comando do sistema de automação ........................................... 45

APÊNDICE B - Esquema de programação do CLP.. ............................................................... 46

LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Evolução da produção, do consumo e das perdas de energia (1970-1998). ............. 16

Tabela 2 - Dados da bomba ...................................................................................................... 35

Tabela 3 - Consumo específico em serviço doméstico............................................................. 36

Tabela 4 - Legenda do esquema de configuração do CLP......................................................41

LISTA DE SIGLAS E UNIDADES

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas.

ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica.

BC – Bloco de Comando.

BP - Bloco de Potência.

CA – Corrente Alternada.

CC – Corrente Contínua.

CLP – Controlador Lógico Programável.

CP - Controlador Programável.

CPU - Central Processing Unit.

CTB - Conjuntos de Tubulações de Bombeamento.

CV – Cavalo-vapor.

Hz – Hertz.

IEC - International Electrotechnical Commission.

IHM – Interface Homem/máquina.

kW – Quilowatt.

kWh – Quilowatt-hora.

m³/h – Metros cúbicos por hora.

MCA – Metros de Coluna d’Água.

mm – Milímetros.

MRV - Máquinas de Rotação Variável.

NBR – Norma Brasileira (emitida pela ABNT).

PLC - Programmable Logic Controller.

PROCEL - Programa de Combate ao Desperdício de Energia Elétrica

QMÁX / QMÍN – Vazão Máxima/ Vazão Mínima

RPM – Rotações por minuto.

SDA - Sistemas de Distribuição de Água.

SN - Sensores de Nível.

TM – Terminal Monitor.

TWh – Terawatt-hora.

VRP - Válvulas Redutoras de Pressão.

η – Rendimento.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 12

2 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ........................................................................................... 14

2.1 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS ELÉTRICOS ..................................... 15

2.2 EFICIÊNCIA ENÉRGETICA EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA 16

3 SISTEMAS DE BOMBEAMENTO .................................................................................. 20

3.1 NORMAS E REGULAMENTOS ................................................................................. 20

3.2 BOMBAS HIDRÁULICAS .......................................................................................... 22

3.2.1 Principais Componentes ...................................................................................... 22

3.2.2 Classificação das Bombas .................................................................................... 23

3.2.4 Curva Altura Manométrica x Vazão .................................................................. 24

4 AUTOMAÇÃO .................................................................................................................... 25

4.1 DEFINIÇÃO .................................................................................................................. 25

4.2 TIPOS DE AUTOMAÇÃO ........................................................................................... 25

4.3 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL .......................................................... 26

4.4 CONTRIBUIÇÕES DA AUTOMAÇÃO ...................................................................... 29

4.4.1 Automação em Sistemas Elétricos ...................................................................... 30

4.4.2 Automação em Sistemas de Bombeamento ....................................................... 32

5 ESTUDO DE CASO ............................................................................................................ 34

5.1 PROJETO DE AUTOMAÇÃO PARA CONTROLE DO BOMBEAMENTO ............ 39

CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................................. 42

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 43

APÊNDICES ........................................................................................................................... 44

12

1 INTRODUÇÃO

A energia e sua conservação nunca receberam tamanha atenção como ultimamente, seja

em decorrência da crise energética brasileira de 2001 ou das preocupações ambientais e

geopolíticas mundiais relacionadas aos combustíveis fósseis e seu possível esgotamento. Não

só no Brasil, mas em todo o mundo tem-se buscado e investido em pesquisas e novas

tecnologias para o uso eficiente da energia e para a redução de desperdícios nos mais variados

níveis de produção e consumo.

Uma das áreas mais relevantes quando se fala em eficiência energética é o saneamento,

este setor apresenta um significativo dispêndio de energia e por isso merece atenção especial

no intuito de torná-lo o mais sustentável possível. Pode-se observar que pequenas mudanças

no processo, visando um maior aproveitamento da energia gasta, trazem uma considerável

economia de energia.

A área de saneamento, mais especificamente o setor de abastecimento de água,

apresenta uma dependência energética extremamente significativa, pois todo o processo de

transporte de água envolve basicamente o uso de bombas hidráulicas. Segundo

GONÇALVES (2009), estima-se que de 2% a 3% do consumo de energia do mundo ocorre

em sistemas de abastecimento de água, sendo o bombeamento de água o responsável por

cerca de 90% a 95% do total. Os principais equipamentos desses sistemas são as motobombas

que na maioria das vezes estão superdimensionadas, por não terem sido projetadas

adequadamente paras as condições exigidas, causando assim desperdícios de energia.

Considerando a grande cota de consumo desse setor é imprescindível a promoção de

ações de eficiência energética nos sistemas de bombeamento de água para diminuir as perdas

energéticas. Tendo em vista essa situação, o presente trabalho monográfico pretende realizar

um estudo sobre a utilização de bombas booster em Sistemas de Bombeamento Prediais de

Água Fria, através de um sistema automatizado com o uso de um Controlador Lógico

Programável (CLP), para obter aproveitamento da pressão advinda da rede de abastecimento.

A ideia de realizar esse estudo surgiu a partir do conhecimento de que a água entregue

pela concessionária aos consumidores já apresenta uma considerável pressão, e que esta, na

maioria dos casos, não é aproveitada. De acordo com a NBR nº 12218 (1994) a água deve

chegar ao consumidor com uma pressão mínima de 10 Metros de Coluna d’Água (mca), e

muitas vezes esse valor chega a ser bem maior, como, por exemplo, 50 mca, que é o valor

máximo de pressão permitido.

13

Contudo, quase que a totalidade dos prédios residenciais ou comerciais adota o sistema

indireto de abastecimento com a utilização de dois reservatórios, um superior e outro inferior,

dessa maneira a energia residual disponível no ponto de abastecimento, isto é, a pressão da

rede, é desperdiçada. A proposta do presente trabalho é avaliar os ganhos energéticos obtidos

a partir da substituição de um sistema de abastecimento indireto por um que utilize uma

bomba tipo booster, permitindo assim o aproveitamento da pressão existente na rede.

No desenvolvimento do trabalho será realizado um estudo de caso, onde se analisará o

consumo energético de um sistema de bombeamento já existente e a previsão de redução do

consumo de energia elétrica economia caso fosse adotada a substituição da bomba

convencional por uma bomba booster. Também será projetado um sistema de automação

utilizando o CLP, para controlar o sistema de bombeamento de acordo com a pressão da rede.

14

2 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

A eficiência pode ser entendida como a capacidade de um sistema para produzir mais

com menos recursos empregados, ou seja, a medida da obtenção de resultados, tendo em face

da disponibilidade dos mecanismos utilizados. Da mesma forma, a eficácia de um sistema

corresponde a o quão bom ele é para atingir seus objetivos da melhor maneira possível.

Condicionados a uma série de fatores, que limitam a disponibilidade de energia, os

métodos que envolvem eficácia visam desenvolver, racionalmente e segundo uma logística, os

recursos financeiros, hídricos, naturais e tecnológicos, assim como a própria matriz energética

a fim de beneficiar a qualidade do serviço. Tratando-se em economia de energia em

determinado setor, observa-se que a disponibilidade e a confiabilidade do sistema

contrabalançam seu custo operacional.

As crises energéticas mundiais, por exemplo, como a do petróleo na década de 70,

alertaram todo o planeta sobre a importância de economizar esse produto e investir em outras

fontes energéticas, para que assim não haja uma total dependência em relação a esse insumo.

Outro exemplo desses acontecimentos foi a crise energética ocorrida em 2001 no Brasil, este

episódio despertou preocupações tanto do governo, quanto da própria sociedade. Dessa forma,

foi promulgada a Lei de Eficiência Energética (Lei 10.295 de 17 de outubro de 2001), esta lei

estabeleceu as diretrizes da política nacional de conservação e uso racional da energia elétrica

no Brasil, constituindo-se assim um grande marco regulatório da matéria no Brasil.

O domínio e o aproveitamento das diversas formas de energia sempre estiveram

diretamente associados ao progresso e ao desenvolvimento. No entanto, até recentemente, na

constante busca pelo crescimento econômico, o homem não atentou para as sérias

consequências que o uso indiscriminado da energia pode acarretar. Contudo, diante desses

acontecimentos, o homem passou a adotar uma postura diferente.

No Brasil, assim como em qualquer outro país em desenvolvimento, vem crescendo a

demanda, cada vez mais, por energia na modalidade elétrica. Tendo em vista esta razão, surge

a necessidade da realização de uma série de estudos e trabalhos visando melhorar a eficiência

dos sistemas elétricos, na mesma proporção que eles são requisitados. A eficiência energética

pode ser encarada como um desafio em longo prazo para reduzir os impactos ambientais e

melhorar os fatores sociais e econômicos, visto que a produção deve sempre crescer de acordo

com a carência de consumo objetivando atender as demandas exigidas.

15

2.1 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS ELÉTRICOS

No século XIX, quando Michael Faraday e Joseph Henry começaram a desenvolver um

dispositivo eletromecânico capaz de converter energia mecânica no movimento ordenado de

elétrons num condutor, o mecanismo “gerador” de Faraday produzia corrente contínua (CC),

enquanto Henry obteve a corrente alternada (CA) em seus experimentos. Com o passar do

tempo, ferramentas tecnologicamente aproveitáveis surgiram graças ao trabalho conjunto de

estudiosos e investidores. No início, a energia elétrica somente era acessível a pequenos

mercados locais em CC, como propunha Thomas Edison. A expansão da rede elétrica se

beneficiou dos trabalhos de Nikola Tesla sobre CA, sendo possível a transmissão de energia

em condutores reduzidos e em níveis de tensão elevados. Foi o primeiro grande passo na

direção do melhor aproveitamento energético em sistemas elétricos.

A ideia do sistema estabelecido por Westinghouse manteve-se até os dias atuais. Na CA

o fluxo ordenado de cargas elétricas não é constante, mas oscila continuamente, alternando-se

na sua direção. Por norma, a energia elétrica produzida no Brasil deve possuir oscilação de

sessenta vezes por segundo, ou 60 Hertz (Hz), já em outros países como Paraguai, utilizam 50

Hz como faixa de frequência.

Na malha da rede elétrica atual, diferentes níveis de tensão atuam de acordo com a

potência e as condições exigidas no trecho, adequando-se então por meio de subestações

transformadoras, que são elevadoras ou abaixadoras. A economia relativa em utilizar redes de

energia com potencial elétrico superior ao de utilização fundamenta-se na relação que existe

entre tensão e corrente, grandezas diretamente proporcionais à potência aplicada. Níveis de

tensão elevados implicam na diminuição da corrente para a mesma potência transmitida e

consequentemente numa possível redução da secção transversal dos fios e cabos (bitola);

sendo necessário menos material condutor para sua construção.

É importante que todo o mercado de energia elétrica esteja interconectado

em face dos benefícios econômicos que proporciona, tais como redução da

demanda de ponta agregada do sistema; redução nos custos de construção

das centrais; economias de escala; redução dos custos operacionais, maior

eficiência no consumo de combustível (usinas térmicas); otimização do

despacho de energia (conforme as diferentes tecnologias empregadas na

geração); melhoria na qualidade do sistema; maior confiabilidade e

estabilidade do sistema; e uniformização de normas técnicas (MARTINS,

1999. P.3).

16

Na tabela 1 é apresentada a evolução da produção, do consumo e das perdas de energia

no período de 1970 a 1998. É possível observar como o tempo surtiu efeito nos mecanismos

de controle de perdas, com intuito de aprimorar os aspectos condizentes a eficiência

energética do sistema elétrico.

Tabela 1- Evolução da produção, do consumo e das perdas de energia (1970-1998).

ANO PRODUÇÃO (TWh) CONSUMO (TWh) PERDAS (%)

1970 43 36 16,3

1980 131 114 13,0

1990 236 205 13,1

1997 330 276 16,4

1998 340 288 15,3

Fonte: ELETROBRÁS – Plano Decenal de Expansão 1999/2008

Os fatores mais notórios que contribuem para o custo da eletricidade em sistemas

elétricos são: baixo rendimento nas instalações, equipamentos antigos que dificultam a

manutenção por conta da inviabilidade de adaptação, consumo acima do usual em horários de

pico, ultrapassagem da demanda contratada e baixo fator de potência.

Essa condição do fator de potência em instalações elétricas é decorrente das seguintes

causas: operação de motores ou transformadores em vazio (baixa carga); motores ou

transformadores superdimensionados que excedem a potência necessária de suprimento; nível

de tensão elétrica acima da nominal; disposição da carga em vários de motores de potência

reduzida.

No ano de 1985, o poder executivo federal tomou a iniciativa de criar o Programa

Nacional de Conservação de Energia Elétrica, que mais adiante passou a se chamar Programa

de Combate ao Desperdício de Energia Elétrica (PROCEL). Essa atitude refletiu a

preocupação crescente com a conservação da energia elétrica no país. Em 1994, o programa

ganhou nova forma, ao ser revitalizado, inspirado nas posturas adotadas internacionalmente,

visto que detinham forte base tecnológica e tendência de mercado. O trabalho do PROCEL,

desde então, vem sendo consistido na formação de convênios com prefeituras,

concessionárias, governos, agências reguladoras, etc. Assim, o PROCEL age com a intenção

de estabelecer no país desenvolvimento tecnológico, regulatório e educacional.

17

Em 1993, foi criado o Selo PROCEL Eletrobras de Economia de Energia, mais

conhecido apenas como Selo PROCEL. O objetivo que o programa, juntamente como o

Ministério de Minas e Energia, cobiça é servir como um guia para orientação do consumidor.

No ato da aquisição de qualquer produto, ele será capaz de identificar aqueles que apresentam

os melhores índices de eficiência energética em relação a outros, dentro de uma determinada

categoria, já que o Selo funciona como um indicativo, e assim poderá proporcionar economia

no consumo. Deste modo, o Selo incentiva o desenvolvimento de produtos mais eficientes e

assim, a tecnologia e preservação do meio ambiente. Os produtos submetidos aos testes

necessários para concessão do Selo PROCEL são etiquetados e classificados dentro de faixas

específicas, como mostra a figura 1, exemplo de um produto enquadrado na categoria “A”.

Figura 1 - Selo PROCEL.

Fonte: <http://www.eletrobras.com/elb/procel/main.asp?TeamID={95F19022-F8BB-4991-

862A-1C116F13AB71}>. Acesso em 07 de março de 2014.

2.2 EFICIÊNCIA ENÉRGETICA EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA

Nos Sistemas de Distribuição de Água (SDA), a energia elétrica total é, na maior parte,

consumida pelas estações elevatórias, tornando-se dispendioso manter conjuntos de moto-

bombas funcionando para as empresas de saneamento. Com o intuito de abastecer grandes

comunidades com água potável, é de fundamental importância a realização de um estudo

criterioso em relação à eficiência energética, já que esses custos podem superar, ao decorrer

da vida útil dos equipamentos, as despesas com as instalações hidráulicas e mecânicas.

Infelizmente, a atual realidade existente no país nesta linha de pesquisa é, expressivamente,

18

reduzida. Para MARTINS (1999), na maior parte dos casos, as organizações governamentais

não detêm procedimentos a respeito da redução dos desperdícios energéticos, tampouco os

agentes usuários capacidade financeira para o investimento inicial.

A redução das perdas está relacionada como aumento do rendimento do sistema de

bombeamento, a potência instalada e a quantidade de tempo em funcionamento. Motores

elétricos de indução trifásicos tipo gaiola de esquilo são os responsáveis, na maioria das vezes

pelo acionamento das bombas hidráulicas, por se tratar de um motor de fácil aplicação,

instalação e manutenção. Se caracterizando com um equipamento adequado para utilização

contínua, pois o bombeamento ocorre, em alguns casos, sem interrupções, salvo em condições

especiais de manutenção e paralização. A seleção de uma motobomba (modelo da bomba e

potência do motor) é feita em função da vazão e da altura manométrica da instalação. A vazão

depende do consumo de água e das horas de operação do conjunto. Já a altura manométrica é

determinada em função do perfil topográfico do terreno e levando-se em conta a perda de

carga nas tubulações.

Nos SDA, os equipamentos são projetados para assegurar que o rendimento em

funcionamento seja máximo com a vazão integralmente necessária, porém, caso a demanda de

água solicitada sejam inferiores, os atributos do sistema de bombeamento devem ser

alterados, a fim de proporcionar a vazão necessária. O gerenciamento automático da pressão

na rede é uma das melhores formas de controle a fim de promover a eficiência energética do

sistema. Esse artifício é possível por meio do controle sistemático de pressão, através de

válvulas instaladas à jusante do conjunto de moto-bombas, ou em tubulações alternativas,

derivadas da direção principal, ou seja, o by-pass da bomba.

O ideal seria que todas as formas de comandos fossem realizadas de maneira remota,

porém o custo de instalação torna, em alguns casos, inviável, já que apenas dispositivos

mecânicos são suficientes devido ao baixo nível de complexidade na execução. Determinados

SDA não necessitam da realização de manobras, pois foram projetados para trabalharem,

ininterruptamente, nos mesmos estados.

Tradicionalmente no Brasil, o abastecimento de água tem sido feito através de um

reservatório elevado mantido por uma estação elevatória que é constituída por máquinas de

rotação constante. Com o intuito de diminuir os gastos com o armazenamento de água e

manter, satisfatoriamente, o fluxo, uma das soluções viáveis é a utilização de sistemas de

bombeamento direto, que utiliza Máquinas de Rotação Variável (MRV) como forma de

controle dos custos com energia elétrica e moldar as condições operacionais conforme a

necessidade de fornecimento.

19

As MRV representam um avanço da tecnologia e vem, cada vez mais, sendo utilizadas

nos SDA, pois são capazes de manter dentro dos parâmetros exigidos, em determinado

instante, os níveis de pressão e vazão, adaptando-se conforme a necessidade. Seu uso evita o

bombeamento de pressões demasiadas, resguardando a tubulação de eventuais vazamentos,

evitando o desperdício de água potável, além a redução do consumo de eletricidade.

Dentre os variados mecanismos de controle de rotação, neste trabalho será ressaltado o

inversor (conversor) de frequência (figura 2), um equipamento eletrônico capaz de modificar

gradativamente a frequência da tensão a qual o motor é submetido, e assim afetar as

condições de torque desenvolvido pela máquina, o que implica na gestão da vazão em bombas

centrífugas. O inversor de frequência é ainda, importante no controle da partida e parada do

motor, dessa maneira, a interrupção suave no funcionamento evita problemas em sistemas de

bombeamento, tal como o golpe de aríete.

Figura 2 - Inversores de Frequência Série CFW09.

Fonte: Catálogo WEG Inversores de Frequência Série CFW09.

O principal objetivo dos mecanismos responsáveis pelo controle da vazão nos SDA é

tentar manter determinado padrão de pressão em todos os pontos de fornecimento que este

sistema atua. Assim como energia elétrica, o consumo de água varia consideravelmente ao

decorrer do tempo, portanto a demanda requisitada altera-se de acordo com o horário e com

os anos. Caso o controle nos SDA seja ineficaz - ou até mesmo inoperante - problemas

relacionados ao aumento expressivo da pressão de descarga, no momento em que a demanda

diminui, irão prejudicar os pontos de fornecimento mais baixos. E, no instante em que a

demanda aumentar, a fraca pressão da rede afetará substancialmente os locais mais elevados.

20

3 SISTEMAS DE BOMBEAMENTO PREDIAL

O sistema de bombeamento predial de água fria nada mais é do que um sistema

composto por tubos, reservatórios, equipamentos como bombas hidráulicas e outros

dispositivos, que em conjunto são capazes de elevar o nível do líquido da fonte de

abastecimento até o reservatório superior. Esse sistema está diretamente ligado ao de

distribuição de água do prédio, que é responsável por conduzir o fluido até os pontos finais de

consumo. É possível dividir os sistemas de distribuição da seguinte maneira:

Direto: esta forma de distribuição não utiliza reservatórios e as peças de utilização do

edifício são ligadas diretamente à rede pública de abastecimento. Esse modo proporciona uma

maior economia de espaço e um menor carregamento estrutural, contudo, está sujeito a

interrupções no fornecimento devido a falhas ou a necessidade de manutenção da rede de

abastecimento e suscetível a prováveis variações de pressão, como pode ser observado na

figura 3:

Figura 3 - Sistema Direto de bombeamento

Fonte: PAULA, Heber Martins. Sistemas Prediais Sanitários e Hidráulicos.

Indireto: esta forma de distribuição utiliza reservatórios. Esse modo possibilita o

armazenamento de água para suprimento e minimiza o risco de refluxo de água na rede de

abastecimento. No entanto, esse modelo requer mais equipamentos e uma estrutura maior,

além de exigir manutenções periódicas, conforme a figura 4:

21

Figura 4 - Sistema Indireto de bombeamento

Fonte: PAULA, Heber Martins. Sistemas Prediais Sanitários e Hidráulicos.

3.1 NORMAS E REGULAMENTOS

Os projetos de sistemas de abastecimento prediais são feitos com base na NBR 5626

(1998) “Instalação Predial de Água Fria” da ABNT, esta norma estabelece exigências e

recomendações relativas ao projeto, execução e manutenção da instalação predial de água fria,

de forma a assegurar a qualidade e o bom funcionamento da instalação, assim como também a

segurança dos indivíduos que farão uso do sistema.

As instalações elevatórias devem possuir no mínimo duas unidades de elevação de

pressão, isto é, duas bombas para garantir o abastecimento de água no caso da falha de uma

das unidades. É recomendada também a utilização de comando liga/desliga automático,

condicionado ao nível de água nos reservatórios, utilizando, por exemplo, uma chave boia.

Neste caso, este comando deve permitir o acionamento manual para operações de

manutenção. O volume de água que deve estar contido nos reservatórios para uso doméstico

deve ser no mínimo, o suficiente para o consumo normal de 24 horas de todo o edifício,

desconsiderando o volume de água destinado ao combate a incêndio.

Outro regulamento de extrema importância se encontra na NBR nº 12218 (1994)

“Projeto de distribuição de água para abastecimento público” a pressão mínima dinâmica que

deve ser entregue ao consumidor pela companhia de água é 10 mca e a máxima é 50 mca.

22

Estes valores, por conta de mudanças nos parâmetros na rede de abastecimento mudam

durante o decorrer do tempo, mas segundo a norma deve-se ter pelo menos 10 mca.

3.2 BOMBAS HIDRÁULICAS

A bomba hidráulica pode ser considerada um dispositivo de transferência de energia,

uma vez que o trabalho mecânico é transformado em energia de fluido (pressão, energia

cinética e potencial). A principal função de uma bomba nos sistemas de bombeamento é

elevar a pressão do líquido de forma que ele possa se deslocar de um nível inicia para um

nível mais elevado.

3.2.1 Principais Componentes

Os principais componentes apresentados por uma bomba são o rotor (parte móvel),

carcaça e o difusor (parte fixa). O rotor da bomba está diretamente acoplado com um motor,

geralmente elétrico. Através do acoplamento mecânico entre os rotores do motor e da bomba,

por meio dos seus eixos, a energia mecânica advinda do motor é transferida para a bomba, a

qual transmite energia cinética para o fluido. O difusor é uma espécie de canal de seção

crescente que recebe o fluido vindo do rotor, e por causa desse formato, à medida que o

líquido é escoado ocorre uma diminuição da vazão e um aumento da pressão, veja a figura 5:

Figura 5 - Componentes da bomba centrífuga.

Fonte: Manual Técnico Scheneider Motobombas.

23

3.2.2 Classificação das Bombas

Podem se classificar as bombas essencialmente em duas categorias: as volumétricas ou

de deslocamento positivo e as turbo-bombas ou centrífugas. A bomba de deslocamento

positivo caracteriza-se por possuir câmaras nas quais um elemento móvel (pistão, embolo ou

diafragma) impulsiona o fluido provocando seu deslocamento. Já as centrífugas, mais

utilizadas, são constituídas pela presença de um elemento girante composto por pás chamado

rotor, a movimentação do conjunto promove o escoamento do líquido.

3.2.3 Bombas com aplicação Booster

Essas bombas se diferem das demais por serem fabricadas especificamente para receber

água da rede de abastecimento e transmiti-lo diretamente para a tubulação de recalque. Desse

modo, elas podem transferir energia mecânica ao fluido sem que ocorra a perda de carga

localizada, pois são capazes de aproveitar a pressão já existente. Funcionam analogamente a

fontes de tensão contínua, que quando colocadas em série, promovem a elevação do potencial

elétrico de maneira independente.

Por possuir determinadas características de construção e utilização, as bombas boosters

são empregadas frequentemente em projetos que se deseja aumentar a eficácia do processo de

bombeamento. Seu uso dispensa a implantação de reservatórios inferiores para o

abastecimento de edificações de tamanho superior a pressão manométrica disponível, pois a

sucção ocorre de maneira livre, contínua e direta. Contudo, são sujeitas a eventuais avarias

que possam ocorrer no fornecimento de água da rede, como a interrupção no fornecimento de

água ou indisponibilidade de pressão.

Suas principais aplicações são de o bombeamento em sistemas de elevação e

pressurização de redes de abastecimento de água em edifícios residenciais e comerciais,

lavagem industrial, transporte de água a longas distâncias, lavadoras de alta pressão, irrigação

de jardins, filtragem forçada e alimentação de caldeiras. A figura 6 ilustra um exemplo de

bomba booster de alta potência.

24

Figura 6 - Bomba booster.

Fonte: Catálogo da Scheneider Motobombas Linha BT4.

3.2.4 Curva Altura Manométrica x Vazão

As características operacionais e o desempenho de uma bomba são expressos por meio

de curvas, uma delas é a chamada Curva Altura Manométrica x Vazão. Esse gráfico fornece

informações fundamentais para conhecer o comportamento da máquina em diversas situações

e é dado pelo próprio fabricante da bomba. A curva relaciona diferentes valores de vazão que

a bomba é capaz de recalcar com a altura manométrica total.

Na figura 7 podemos observar a curva de uma bomba com o rotor de 129 mm, ela

aponta os valores de vazão em função da altura manométrica. Pode-se observar que a altura

varia inversamente proporcional a vazão. Por exemplo, para obter uma vazão de 12 m³/h,

utilizando esta bomba, a altura manométrica é de 28 mca (Ponto A). Mas se quisermos

diminuir a altura manométrica para 18 mca, a vazão aumentará para 13,8 m³/h (Ponto B).

Figura 7 - Curva Bomba ME -2 AP-27.

Fonte: Catálogo Schneider Moto-bombas.

25

4 AUTOMAÇÃO

4.1 DEFINIÇÃO

Automação (do latim Automatus, que significa mover-se por si) é uma condição

peculiar que um sistema pode vir a ter, a qual o torna apto a elaborar atividades específicas

comandadas por uma gama de sinais elétricos, mecânicos, hidráulicos, pneumáticos, entre

outros, oriundos do próprio sistema. Em outras palavras, em um sistema automatizado os

mecanismos são responsáveis pelo controle e operação do sistema, sem a necessidade da

intervenção humana para o pleno funcionamento. Essa é uma definição clara e simples para o

termo automação que pode adquirir vários sentidos, não divergentes do seu significado

primordial, quando inserido no contexto tecnológico.

A automação pode se referir ao simples processo de mecanização da produção, a fim de

torna-la mais eficiente e dinâmica de forma geral, como na revolução industrial quando foram

desenvolvidas máquinas com esse intuito1.

4.2 TIPOS DE AUTOMAÇÃO

Foi na década de 1960 que começaram a surgir os sistemas automáticos que obtiveram

resultados significativos. Esses primeiros indícios de automação caracterizavam-se pelas

máquinas operantes bastante restritas, pois se limitavam na construção de um produto em

particular. No entanto, com qualquer sutil alteração que sua modelagem venha a ter, a

adaptação tornar-se-ia dispendiosa e complexa. Este tipo de automação refere-se ao tipo

rígido.

Já nos tempos atuais, com o auxílio das modernas tecnologias, os sistemas automáticos

conseguiram atingir um novo patamar, o qual a dinamicidade torna-se uma particularidade

inevitavelmente essencial. A partir de então, as máquinas passaram a ser elaboradas

diretamente a partir de sistemas informatizados ou dispositivos programáveis, o esforço

conjunto de várias tecnologias como hidráulica, eletrotécnica, pneumática, mecatrônica,

dentre outras, designa o tipo de automação flexível, do inglês Flexible Manufacturing System.

As vantagens que essa modalidade oferece consistem no melhor aproveitamento dos recursos

1 Um exemplo é o do francês Joseph-Marie Jacquard, que arquitetou, durante o século XIX, um sistema

para automatizar a tecelagem através de peças perfuradas, estas serviam para a orientação da máquina ao tecer os

padrões de cores na seda.

26

materiais e humanos, tornando-se mais eficiente e arrojado devido ao caráter dinâmico, além

da redução dos custos de produção e da necessidade de intervenção humana direta.

Em termos mais específicos, a automação predial e residencial – do inglês, home &

building automation - é o segmento da tecnologia dedicado à automatização dos utensílios e

dispositivos domésticos em habitações. A domótica é o termo que designa a automação

residencial em si, aplicada diretamente aos mecanismos restritos a unidade habitacional, como

uma casa ou um apartamento. Enquanto a automação predial refere-se às funções voltadas

para o setor industrial, administrativo ou comercial de um prédio como um todo. Este

mercado encontra-se com fortes tendências de expansão, e está consolidado há muito, por isso

a oferta é bem recebida pelos consumidores.

4.3 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL

O CLP – do inglês, Programmable Logic Controller (PLC) – é uma sofisticada máquina

eletroeletrônica capaz de substituir, com aptidão, os sistemas de lógica cabeada, formado

apenas por equipamentos eletromecânicos (relés, contatores, temporizadores). Ele foi

projetado a fim de ser um dispositivo de armazenamento em sistemas de lógica programada,

deste modo o uso adjunto de equipamentos eletromecânicos e sequenciadores lógicos é

eficiente em coordenar todas as particularidades das funções que compõem um programa de

automação em processos industriais, eliminando os problemas e restrições da lógica cabeada.

“Um PLC pode ser definido como um complexo sistema eletrônico para uso industrial

capaz de gerir qualquer operação de industrial de maneira flexível”. (PRUDENTE, 2011.

P.10).

A aplicação de CLP permite desde a tomada de decisões, ao armazenamento,

visualização e possível transferência de dados, como também a elaboração e decodificação de

sinais lógicos e execução de operações matemáticas distintas. O conjunto de todas as funções

que um CLP é capaz de executar é chamado de set instruction.

Os CLPs fazem uso de microprocessadores e componentes eletrônicos como sensores e

transdutores que atuam através da elaboração dos sinais de entrada. A unidade central

organiza todas as funções de controle. Sua memória programável possibilita identificar e

executar comandos para comunicação com dispositivos de entrada e saída, ou input/output. A

emissão de sinais de saída, analógicos ou digitais, é definida por um padrão predeterminado

em um software, a unidade de programação consiste na Interface Homem/Máquina (IHM) do

27

equipamento, pode ser um computador (figura 8) ou um mero teclado. Desse modo, o

comando remoto dos atuadores é realizado de maneira satisfatória.

Figura 8 - IHM com o software LOGO!.

Fonte: Catálogo LOGO! Siemens.

A Central Processing Unit (CPU) é o suporte eletrônico que comporta o

microprocessador do CLP, ela é a sua parte mais importante, pois determina seu desempenho

no que condiz a potência e velocidade de processamento de informações. A CPU é

responsável por codificar os dados que adquire através dos sinais de entrada, caso haja

alteração de sinal ela responde compilando novos dados conforme a lógica interna concebida

pelo programa, que gera assim o valor de saída adequado e assim aciona o dispositivo

atuador. A cada leitura das entradas e saídas, os dados são registrados em um determinado

conjunto de células de memória, especificamente nas imagens do processo de entradas/saída.

Esse arranjo sequencial que a CPU realiza suas operações é o chamado ciclo de scan ou

varredura, o período de duração do ciclo corresponde ao tempo de scan, que

preferencialmente deverá ser curto para prevenir o mau funcionamento da instalação.

A figura 9, a seguir, mostra um esquema de montagem funcionamento das entradas e

saídas em um CLP “LOGO!”, da fabricante Siemens. Vale ressaltar que, o CLP reconhece as

entradas quando o chaveamento indicar uma tensão de 24 V em CC. O modelo oferece

possibilidade para quatro entradas e seis saídas, responsáveis pelo simples acionamento

automático, com chave reversora, do motor representado.

28

Figura 9 - Esquema de montagem CLP LOGO!.

Fonte: Apostila de Automação Industrial – Prof. Marcelo Eurípedes.

O primeiro CLP foi usado na indústria automobilística, por volta de 1960, com o intuito

de reduzir o tempo de parada nas máquinas na produção, anteriormente a sua aplicação, havia

a necessidade de alteração de todo o circuito elétrico de controle a cada novo modelo de peças

a ser produzidas. A utilização o CLP permitiu reduzir o tempo de produção, pois bastava

mudar a programação do mesmo para que um novo componente fosse fabricado, reduzindo os

custos do processo de produção, o que tornava o produto mais competitivo no mercado. A

partir de então os novos modelos de CLPs que vem a surgir no mercado foram sendo,

gradativamente, mais aprimorados, confiáveis e eficientes; fazendo com que esse dispositivo

atinja um padrão bastante aceito e com uma infinidade de aplicações.

Hoje, há disponíveis no mercado vários modelos e fabricantes (Siemens, General

Eletric, Schneider Eletric, WEG, etc.) de dispositivos cuja função se assemelha aos CLPs.

Tendo em vista essa diversificação e a falta de padronização, os clientes eram obrigados a

adequar suas instalações a um fabricante específico. Para regulamentar a fabricação e

29

programação dos CLP, a norma2 que estabelece o padrão de linguagens de programação e

outras condições de fabricação para os Controladores Programáveis (CP) 3 foi estabelecida em

1992.

Os CLPs se classificam de acordo com sua capacidade de atuação em sistemas de

automação - Micro e Nano porte: possuem até dezesseis entradas/saídas, compostos por um

módulo de 512 etapas; Médio porte: contém até duzentas e cinquenta e seis entradas/saídas,

digitais e analógicas, com um módulo 2048; Grande porte: fabricado com CPU principal e

outras auxiliares, módulos especiais, para redes locais e de entrada/saída digitais e analógicas

com até 4096, memória expansível e adaptável ao usuário.

4.4 CONTRIBUIÇÕES DA AUTOMAÇÃO

Como já foi discutido, os primeiros exemplos de automação surgiram com a

necessidade da indústria a se adaptar aos modernos sistemas de produção presentes no mundo

contemporâneo. Tornar um sistema mais eficiente é um desafio impulsionado pela

necessidade inevitável de ser mais competitivo e gerar mais lucro com a produção. O

desenvolvimento de mecanismos capazes de suprir, com excelência, a mão de obra humana,

ou até mesmo facilitar a vivência em indústrias, residências e cidades como um todo, tem

contribuído significativamente para a melhoria dos relacionamentos homem e máquina.

Ao projetar um sistema de controle de processos, o foco de preocupação deve estar

voltado para identificar como aqueles mecanismos irão agir para controlar as várias variáveis

físicas e assim obter produtos de alta qualidade, aumentando os níveis de rendimento e

segurança, além de manter os custos compatíveis às necessidades do consumidor. Para tanto é

exigido o aprimoramento dos recursos tecnológicos disponíveis, para que sejam devidamente

manipuladas as condições dos insumos envolvidos nas técnicas de gerenciamento, como por

exemplo, o controle das condições de nível e temperatura.

No desenvolvimento de um sistema de automação moderno, é previsto o uso de

equipamentos capazes de gerenciar todas as funções específicas em um programa. A

tecnologia dedicada à lógica programada como aparato, de modo que possa atender as

exigências nos esquemas de controle em situações locais árduas (fábricas e indústrias), é

chamada de informática industrial. Ela reúne todas as ferramentas tradicionais da informática,

2 Emitida pela International Electrotechnical Commission (IEC). A norma IEC 61131 se destina a todos os

modelos de CP, assim como seus respectivos componentes e periféricos. 3 A sigla CP é anterior à CLP, esta foi criada com intuito de substituir a antiga visto que poderiam ocorrer

confusões com o desenvolvimento do Computador Pessoal, que também veio a se chamar, abreviadamente, de

CP.

30

além de dispositivos peculiares deste segmento tecnológico, como os CPs, CLPs e o Controle

Numérico Computadorizado.

4.4.1 Automação em Sistemas Elétricos

Os sistemas de automação para o controle de processos são constituídos fisicamente de

mecanismos eletromecânicos que realizam inúmeras funções e agem em conjunto para formar

um bloco de comando ou de potência como um todo. Seu desempenho é regido através de

ciclos de funcionamento que regulam a relação dos equipamentos e as devidas instruções que

eles venham a ter para trabalhar. O Bloco de Potência (BP) corresponde às máquinas motrizes

do sistema propriamente são os vastos tipos de motores elétricos, cilindros pneumáticos e

hidráulicos. Já o Bloco de Comando (BC) é a unidade responsável pela autogestão do sistema,

é a parte que comanda o BP, formada por controladores lógicos, computadores - e outros

dispositivos de sequenciamento e elaboração - e por detectores.

Nos sistemas elétricos de automação, a operação elementar de funcionamento constitui-

se na conversão de um sinal elétrico em um estímulo mecânico realizado através de atuadores.

Eles podem ser mecânicos, elétricos, hidráulico ou pneumático; integram o BP, os mais

utilizados em nível industrial correspondem aos motores elétricos do tipo assíncronos, ou de

indução trifásico, por conta de sua fácil instalação, manutenção e acionamento.

Na figura 10 é mostrado um “Kit para Automação”, utilizado para acionar máquinas

operatrizes, visando aumentar a eficiência e proporcionar segurança aos operadores em

máquinas que ofereçam riscos significativos durante o processo produtivo, já que para acioná-

lo é necessário utilizar ambas as mãos no dispositivo.

.

Figura 10 - Kit para Automação com comando bimanual.

Fonte: Catálogo de produtos WEG linha Safety.

31

Os dispositivos detectores, que compõem o BC, permitem identificar as informações e

estágios do processo automatizado, assim como qualquer grandeza física (posição,

temperatura, pressão, etc.). Eles podem ser considerados digitais quando o tipo de sinal

fornecido pela saída seja designado por níveis bem definidos (on/off). A passagem de um

estado para outro acontece no momento em que a grandeza física supera certo valor

determinado. Já os detectores do tipo analógico fornecem um valor de sinal elétrico

proporcional aos variados níveis de medição verificados no ambiente. Por convenção os

dispositivos chamados de sensores designam os detectores do tipo digital, enquanto os

transdutores, do tipo analógico.

Mesmo que a interatividade entre homem e máquina em sistemas puramente

automatizados seja mínima, nos dispositivos de controle pertencentes ao BC deve haver

mecanismos capazes de permitir esta interação. Assim são chamados estes dispositivos, IHM.

Nos sistemas de lógica cabeada predominam os aparelhos de comando e sinalização clássicos,

como chaves, botoeiras e sinalizadores. Já os terminais de diálogo mais sofisticados são

utilizados para verificar de modo mais abrangente os detalhes do sistema controlado,

basicamente são displays modernos formados pelo painel operador e o Terminal Monitor

(TM), como mostra a figura 11, a seguir.

Figura 11 - Exemplo de TM para interação com os processos industriais

Fonte: Guia de Produtos TIA Siemens Edição 2011.

32

4.4.2 Automação em Sistemas de Bombeamento

A gestão de qualidade dos mecanismos de abastecimento requer a eficácia no processo

de obtenção, estocagem e distribuição dos recursos hidroelétricos. Os sistemas de automação

modernos são capazes de suprir as necessidades de comandos automatizados nos SDA,

através de uma operação assistida dos equipamentos que os compõem. Para alcançar a

plenitude no funcionamento, manobras de controle devem ser realizadas, que constituem

basicamente na abertura e fechamento de válvulas e registros, além do acionamento de

conjuntos moto-bombas. Essas manobras interferem no fluxo de água nos Conjuntos de

Tubulações de Bombeamento (CTB), conforme requisitado pelo SDA às variações de pressão

e vazão.

Existem muitos tipos de válvulas, adaptadas para as mais diversas aplicações, elas são

responsáveis por boa parte do controle sistemático nos CTB. As válvulas eletromecânicas

ganham destaque quando se pretende fazer uso de recursos automatizados, dessas a mais

utilizada é a válvula solenoide, como dispositivo de automação ou de segurança, cabe ao

projetista definir o modelo mais adequado e assim, estender sua vida útil. Ela é composta de

duas unidades funcionais, os orifícios de passagem que possuem discos obturadores, e o

mecanismo eletromagnético de acionamento, formado pelo solenoide e seu núcleo magnético.

A seguir, a figura 12 ilustra um exemplo de válvula solenoide com aplicação em instalações

prediais de água fria.

Figura 12 - Válvula solenoide modelo VPS-700.4.

Fonte: Catálogo completo de produtos Multicoil.

33

Os Sensores de Nível (SN) são dispositivos detectores capazes de identificar o estado

que se encontra o volume de um líquido em um reservatório que o contém. Eles são utilizados

para constatar a quantidade do fluido e estabelecer o funcionamento de determinadas válvulas,

para assim poder comandar o fluxo que circula na vazão de entrada e saída. Existem bastantes

modelos, mas os mais utilizados para medição de nível, em tanques de água fria, funcionam

auxiliados por um circuito eletrônico que verifica a capacidade de fornecimento de corrente,

dado que a presença de água altera o estado dos conectores, passando a conduzir ou não. Em

sistemas de bombeamento automatizados, os SN eletrônicos desempenham fundamental

importância no que se refere ao acionamento do conjunto moto-bombas, responsáveis por

preencher a caixa d’água nas tubulações de recalque. A figura 13 mostra um exemplo utilizado

em instalações hidráulicas prediais de água fria.

Figura 13 - SN eletrônico.

Fonte: Catálogo geral de produtos Nivetec.

Tratando-se de automação em sistemas de bombeamento, o mecanismo capaz de

integrar os componentes apresentados de maneira eficaz, considerando os requisitos

predispostos para a eficiência energética, é o CLP. Utilizando mecanismos computacionais é

possível desenvolver um circuito de comando automático que trabalha segundo as suas

instruções. A fabricante WEG disponibiliza gratuitamente o software “Clic02 Edit”,

específico para configuração do CLP, nele ferramentas digitais podem ser programadas para

atuarem de verdade em CTB e SDA.

34

5 ESTUDO DE CASO

Através desse trabalho pretende-se analisar uma situação real, isto é, utilizar um sistema

de bombeamento já existente, verificando suas características e seu desempenho em

funcionamento. A partir dessa análise poderá ser proposta uma solução mais eficiente, que

satisfaça todas as necessidades do sistema.

Devido à facilidade de acesso para as medições e aferições, foi escolhido o sistema de

bombeamento do Condomínio Juraci Rolim – Bloco C4. O bombeamento desse prédio multi-

familiar é feito por uma única bomba como pode ser visto na figura 14:

Figura 14 - Sistema de bombeamento do prédio.

4 Endereço: Rua Denise Alves de Medeiros, 180, bairro Sandra Cavalcanti – Campina Grande/PB.

35

A motobomba utilizada é uma Centrífuga de Multiestágios, modelo ME-2 AP-27

fabricação Schneider. Suas aplicações são: abastecimento predial, irrigação, alimentação de

caldeiras, transporte de água a longa distância ou indústrias. A figura 15 apresenta os dados de

placa, que podem ser visualizados também na Tabela 2.

Figura 15 - Dados de Placa da Bomba.

Tabela 2 - Dados da bomba

Potência

(CV)

Diâmetro do

rotor (mm)

QMÁX/QMÍN

(m³/h)

Potência

medida (kW)

η do

conjunto (%)

Altura (MCA)

3 129 4,7/14,8 2779 40,9 41,3

Fonte: Dados de placa da Motobomba ME-2 AP-27.

Para medir a potência consumida pelo motor foi instalado um instrumento multimedidor

de grandezas elétricas (Figura 16), constatou-se que a potência média consumida pelo

conjunto moto-bomba foi de 2,755 kW. Com os dados de potência medidos é possível

calcular o consumo mensal de energia da unidade habitacional. Para se avaliar a eficiência do

sistema de bombeamento necessita-se ainda de uma análise do consumo de energia elétrica e

a vazão fornecida pelo conjunto motobomba.

36

Figura 16 - Medição com o multimedidor.

O valor da estimativa da demanda de consumo de água depende, naturalmente, da

destinação ou finalidade do prédio que podem ser edifícios residenciais, comerciais ou

industriais. Será utilizada como referência para o estudo de caso uma edificação residencial.

Segundo CREDER (2006), para cada quarto social deve ser considerado duas pessoas e uma

para cada quarto de serviço habitando no local.

Tabela 3 - Consumo específico em serviço doméstico

Prédio Consumo (litros/dia) Unidade

Apartamento 200 Per capita

Apartamento de Luxo 300 a 400 Per capita

200 Quarto da empregada

Residência de luxo 300 a 400 Per capita

Residência de médio valor 150 Per capita

Residência de populares 120 a 150 Per capita

Alojamento provisório de

obras

80 Per capita

Apartamento de zelador 600 a 1000 Apartamento

Fonte: CREDER (2006).

O prédio analisado possui vinte e quatro apartamentos, cada um com três quartos

sociais. Portanto podem-se inferir seis pessoas por unidade habitacional (Eq. 1), levando em

conta também o valor per capita apresentado na tabela 3 (200 litros/dia), tem-se

consequentemente um total de 28.800 litros de água diários, que corresponde a 28,8 m³. De

acordo com a curva da bomba (ME-2 AP-27) do edifício (figura 8) e considerando uma altura

manométrica de 28 metros podemos afirmar que a vazão prevista é de 12 m³/ h (Ponto A).

37

. (Eq. 1)

(Eq. 2)

Com o valor do volume mensal obtido pela Eq. 2 e da vazão prevista pode-se calcular

o tempo mensal de funcionamento da bomba, que é de 48 horas/mês.

(Eq. 3).

Agora é possível dimensionar o consumo mensal de energia em kWh, considerando a

potência medida com o qualímetro de 2,755 kW:

(Eq. 4).

( ) (Eq. 5).

Após identificar o consumo atual do sistema de bombeamento do prédio em questão,

serão avaliadas as melhorias adquiridas quando ocorre o aproveitamento da pressão já

existente na rede, que deve ser de no mínimo 10 MCA, utilizando a mesma bomba, mas

ligando-a diretamente à rede, isto é, analogamente a uma booster. Considerando 10 metros a

altura manométrica que a rede pode fornecer por ela mesma, os 28 metros de altura da

edificação são reduzidos para 18 metros e assim a vazão fornecida aumenta para 13,8 m³/h

(ponto B – figura 6) e consequentemente o tempo de operação é reduzido.

(Eq. 6).

O novo consumo de energia será:

(Eq. 7).

( )

Assim, o ganho de energia obtido foi de:

38

(Eq. 8).

( )

(Eq. 9).

Contudo observando o gráfico da vazão x rendimento da bomba, percebemos que com

o aumento da vazão o rendimento do conjunto moto-bomba diminui, pois seu rendimento que

é η = 0,409 passa a ser η = 0,32, portanto a escolha de uma bomba mais eficiente torna-se

uma melhor solução. Após examinar os requisitos que devem ser expressos pela moto-bomba

definiu-se o modelo ME – HI9 como a escolha mais eficiente para a situação. Esse modelo

possui uma potência de 1,5 CV ou 1104 W. Para uma manométrica de 18m a vazão, de

acordo com a curva da bomba, é de 13,5 m³/h (ponto A - figura 17).

Figura 17 - Curva da bomba ME - HI9


Dessa forma, pode-se calcular o tempo mensal de funcionamento da bomba:

(Eq. 10)

( ) (Eq. 11)

Constata-se uma grande diminuição no consumo de energia:

( )

(Eq. 12).

A tarifa de energia cobrada pela concessionária é R$ 0,36/ kWh, dessa maneira o ganho

obtido em reais foi de:

39

( ) ( ) (Eq. 13)

Além disso, a bomba Modelo ME – HI9 proporciona, conforme a curva do seu

rendimento, um maior rendimento η = 0,54 (Ponto A figura 18).

Figura 28 - Curva rendimento x Vazão


5.1 PROJETO DE AUTOMAÇÃO PARA CONTROLE DO BOMBEAMENTO

Como descrito, o sistema de bombeamento estudado é formado por método de

abastecimento indireto. A moto-bomba, que exerce a função principal, assim como os outros

dispositivos eletromecânicos são acionados e controlados pelo quadro de comandos elétricos

da instalação. Como mostra a figura 19, a seguir:

Figura 19 – Quadro de comandos da bomba de abastecimento e de emergência.

40

A fim de atender os objetivos deste trabalho, será proposto um projeto de automação

destinado às manobras de controle dos equipamentos a serem utilizados no novo sistema. O

novo sistema será constituído por uma moto-bomba com funcionamento do tipo booster,

trabalhando de modo cooperativo à usual, já que esta pode suprir as carências de

abastecimento, no caso de incapacidade do conjunto principal, devido a falhas externas.

Na instalação hidroelétrica deverá haver componentes detectores, os SN nos

reservatórios e o pressostato da tubulação, e acionadores, as válvulas solenoide. O uso desses

elementos é de fundamental importância, já que o funcionamento do conjunto moto-bomba

novo depende da ausência parcial de água no reservatório superior (caixa d’água) e da correta

aferição de pressão exigida por norma. O esquema de bombeamento que segue5, discrimina a

relação entre os componentes da instalação.

Com o intuito de cumprir essas expectativas, foi idealizado um esquema de

programação com base na linguagem Ladder, designado para configurar um dos modelos de

CLPs da fabricante WEG6. Por motivos de segurança, foi adicionada a chave “I1”, que

habilita o modo automático, ativando esquema de trabalho do sistema de automação descrito a

seguir.

Nas condições normais de uso, quando o conjunto moto-bomba principal e o ativador de

passagem de água “V1” no CTB (válvula solenoide) estão funcionando, é necessário que os

SN comuniquem o correto estado da caixa d’água e o pressostato, a pressão da rede, já que

são responsáveis por informar ao sistema a necessidade de fluido a ser bombeado e identificar

o valor corriqueiro de abastecimento, respectivamente. O sistema entende esse fato quando

pressostato e o “SN1” e o “SN2” são, mutualmente, acionados.

No entanto, se não houver pressão na rede de abastecimento disponível para a correta

operação do conjunto moto-bomba principal e a caixa d’água requisitar o fornecimento,

entrará em ação o conjunto auxiliar, formado pelo esquema de funcionamento usual de

bombeamento, o qual o moto-bomba impele água oriunda de um reservatório inferior

(cisterna), através do CTB para a caixa d’água, após esta ser liberada pela válvula “V3”. Essa

situação irá se verificar quando o presostato não é ativado, mas o “SN1” e o “SN2” sim.

O suprimento de água na cisterna irá acontecer exclusivamente pela escassez na mesma

homologada pelo “SN3”. Instalado numa posição intermediária do reservatório, ele é

acionado quando o nível atinge determinado volume, assim, a abertura da válvula “V2” é

realizada, permitindo a passagem de fluido proveniente da rede. Vale ressaltar que existe um

5 Ver APÊNDICE A.

6 Ver APÊNDICE B.

41

intertravamento, isto é, a cisterna somente será abastecida quando o conjunto moto-bomba

principal não estiver em operação, consequentemente a válvula “V1” estará fechada neste

momento. O mesmo não é válido para o conjunto auxiliar.

A tabela 4, a seguir, ajuda a entender melhor a simbologia utilizada no esquema do

APÊNDICE D. Ela identidica as saídas “Q’s”, os componentes que serão acionados, e as

entradas “I’s”, que servirão com chaves.

Tabela 4 – Legenda do esquema de configuração do CLP.

ENTRADAS SAÍDAS

I1 Modo automático Q1 V1

I2 Pressostato Q2 V2

I3 SN1 Q3 V3

I4 SN2 Q4 MTB principal

I5 SN3 Q5 MTB auxiliar

CONTATORES AUXILIARES

M1 Caixa d’água seca

M2 Motobomba principal ligada

M3 Caixa d’água completamente cheia

M4 Motobomba auxiliar ligada

Fonte: própria dos autores.

42

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Como consequência de um criterioso estudo dos atuais sistemas automatizados de

bombeamento de água fria em instalações hidroelétricas prediais, foi possível esclarecer o

funcionamento dos principais mecanismos que atuam nesses modelos e assim identificar o

quão ineficaz eles podem ser.

Tendo conhecimento do fato de que, na maioria dos sistemas atuais ocorre uma perda de

carga localizada, visto que, por norma, as companhias de saneamento devem fornecer uma

pressão manométrica mínima pré-determinada, foram traçadas metas para propor uma solução

alternativa na melhoria da eficiência energética.

Após uma análise dos parâmetros elétricos e hidráulicos de um exemplo real que se

encaixa na descrição mencionada, foi proposto um modelo que correspondeu adequadamente

às expectativas, pois foram obtidos resultados satisfatórios quando simuladas as condições de

operação da máquina.

Apesar de requerer dispendiosos os investimentos iniciais, confirma-se que a utilização

de conjunto moto-bombas boosters, no lugar das tradicionais formas de bombeamento

indireto, reduz significativamente os custos com energia elétrica e é uma solução viável. Além

de que, esse método direto, simples e contínuo de abastecimento é possível de ser aplicado

não só a sistemas prediais, mas a qualquer outro SDA em que exista a necessidade de

elevação de potencial hidráulico em tubulações com certa pressão natural.

Devido à longa expectativa de tempo de vida útil para esses tipos de equipamentos, o

retorno financeiro é assegurado, o que confirma a ideia fundamental que gerou a discussão e o

desenvolvimento deste trabalho, a eficiência energética em sistemas de bombeamento.

43

REFERÊNCIAS

_______, NBR 5626: Instalação predial de água fria. Rio de Janeiro, 1996.

CENTRAIS ELÉTRICAS BRASILEIRAS, FUPAI/EFFICIENTIA. Sistemas de

Bombeamento d’água. Eficiência Energética em Sistemas de Bombeamento. Rio de

Janeiro: Eletrobrás, 2005. (P. 63).

CREDER, H. Instalações Prediais de Água Potável. IN: Instalações Hidráulicas e

Sanitárias. Rio de Janeiro: LTC, 2006.

GOMES, Heber Pimentel. Et al. Consumo de energia. Conservação de água e energia em

sistemas prediais e públicos de abastecimento de água. GONÇALVES, Ricardo Francis

(Org.) Rio de Janeiro: ABES, 2009.(P.99).

MARTINS, M. P. S.. Inovação Tecnológica e Eficiência Energética. IN: Inovação

tecnológica e eficiência energética. Monografia (Engenharia Elétrica), Universidade Federal

do Rio de Janeiro, 1999.

PRUDENTE, F. 2011. Automação Predial e Residencial. Automação Predial e Residencial:

uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, 2011.

PRUDENTE, F. Introdução aos sistemas automáticos. IN: Automação Industrial PLC:

teoria e aplicações: curso básico. Rio de Janeiro: LTC, 2011.

REGIS, L. R. Processo de bombeamento d’água. IN: Eficiência Energética em processos de

bombeamento d’água. Monografia (Engenharia Elétrica), Universidade Federal da Bahia,

2010.

TSUTIYA, M. T. Uso de Inversores de Frequência para Diminuição do Consumo de Energia

em Sistemas de Bombeamento. IN: Abastecimento de Água: O estado da arte e técnicas

avançadas. 2ed. João Pessoa: Editora Universitária, 2004.

44

APÊNDICE A - Esquema de comando do sistema de automação7.

7 Elaborado com o auxílio do software AUTOCAD 2010.

45

APÊNDICE B - Esquema de programação do CLP8.

8 Elaborado com o auxílio do software Clic02 Edit da WEG.

eficiencia energetica bombeamento de agua

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