Projeto 1- Sistema De Bombeamento.doc

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIEÊ NCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NUÚ CLEO DE ENGENHARIA MECAÊ NICA MAÚ QUINAS DE FLUXO

Projeto 1 Sistema de bombeamento de um edifíício

Professor: Wilson Luciano de Souza Turma: M1 Integrantes: José Aguiar dos Santos Júnior Soraia Simões Sandes

São Cristóvão, Outubro de 2011

Sumário

1.

Introdução............................................................................................................................5

2.

Objetivo................................................................................................................................6

3.

Descrição do Edifício............................................................................................................7

4.

Sistema.................................................................................................................................9

5.

Dimensionamento..............................................................................................................13 5.1

Vazão..........................................................................................................................13

5.2

Instalação....................................................................................................................16

5.3

Escolha da bomba para a instalação............................................................................17

5.3.1

Altura manométrica............................................................................................17

5.3.2

Velocidade específica.........................................................................................20

5.3.3

Curva do encanamento.......................................................................................21

5.3.4

Potência Motriz..................................................................................................25

6.

Cálculo do NPSH disponível..............................................................................................27

7.

Análise do Rendimento......................................................................................................31

8.

Comparação com a instalação existente.............................................................................31

9.

Custo..................................................................................................................................32

10. Conclusão...........................................................................................................................34

2

LISTA DE FIGURAS Figura 01 – Foto do prédio .............................................................................................6 Figura 02 - ......................................................................................................................8 Figura 03 –.........................................................................................................9 Figura 04 – ............................................................................................................9 Figura 05 -..............................................................................................................10 Figura 06 -.............................................................................................................10 Figura 07 – Estimativa do consumo diário de água.........................................................11 Figura 08 - Gráfico Sulzer para escolha dos diâmetros dos encanamentos de sucção e de recalque...........................................................................................................................13 Figura 09 - Ábaco para cálculo de perda de carga em tubulações de PVC rígida. Extraída do Catalogo técnico Predial Água fria – Tigre S.A Tubos e conexões.............18 Figura 10 - Seleção da bomba.........................................................................................20 Figura 12 - Bomba selecionada......................................................................................21 Figura 13 – Dimensões da bomba...................................................................................21 Figura 14 - Curva de potência.........................................................................................25 Figura 15 - Gráfico do NPSHreq.......................................................................................27

3

LISTA DE TABELAS Tabela 01 – Dados do prédio ............................................................................................7 Tabela 02 - Vazões máximas das tubulações soldáveis e roscáveis. Catalogo técnico Predial Água fria – Tigre S.A Tubos e conexões............................................................14 Tabela 03 – Perdas de carga localizada – Sua equivalência em metros de tubulação de PVC rígido. Extraída do Catalogo técnico Predial Água fria – Tigre S.A Tubos e conexões..........................................................................................................................16 Tabela 04 – Curva do encanamento Tabela 05 – Dados da curva da bomba Tabela 06 -Potência motriz consumida corrigida Tabela 07 - Pressão de vapor da água

4

1. Introdução O sistema de abastecimento d’água é um serviço constituído de um conjunto de sistemas hidráulicos e instalações responsáveis pelo suprimento de água para atendimento das necessidades da população de uma comunidade. O projeto dos sistemas prediais de água fria deve ser feito de forma a garantir que a água chegue a todos os pontos de consumo, sempre que necessário, em quantidade e qualidade adequadas ao uso. Além disso, deve permitir a rastreabilidade e acessibilidade ao sistema em caso de manutenção. A elaboração de um projeto de abastecimento de água exige o conhecimento das vazões de dimensionamento das diversas partes constitutivas do sistema. Por sua vez, a determinação dessas vazões implica no conhecimento da demanda de água no edifício, que é função: -

Do número de habitantes a ser abastecido;

-

Da quantidade de água necessária a cada indivíduo.

Os problemas de dimensionamento das canalizações, estruturas e equipamentos, implicam em estudos diversos que incluem a verificação do consumo médio por pessoa, a estimativa do número de habitantes a ser beneficiado e as variações de demanda, que ocorrem por motivos vários. Dentro desse contexto, este projeto de sistema predial de água fria foi baseado em recomendações contidas na Norma Brasileira NBR-5626/95 - “Instalações Prediais de Água Fria”.

5

2. Objetivo



Projetar um sistema de distribuição de água de um edifício por

meio de tubulações e bomba, e demais características para um funcionamento adequado.  Fornecer água aos usuários, de forma contínua, e em quantidade suficiente.   peças e aparelhos.  

Preservar a qualidade da água Manter pressões e velocidades adequadas ao funcionamento das Minimizar os ruídos Proporcionar conforto aos usuários

3. Descrição do Edifício

O projeto refere-se a um prédio de 4 andares. Em cada andar há 4 apartamentos, desta forma, totalizando 16 apartamentos.

O Condomínio residencial Parque dos Artistas, Bloco Henrique Souza, está localizado na Rua Modernista, Bairro Siqueira Campos. Aracaju – SE.

6

Figura 01- Foto do prédio Dados básicos sobre o prédio encontram-se na tabela abaixo: Tabela 01- Dados do prédio N° de andares

4 4

N° de apartamentos Por andar

4 4

N° total de apartamentos

1 6

Altura do edifício

1 7

11 m Consumo médio por Apartamento

1 1 m³/dia

N° de habitantes Por apartamento

5 5

4. Sistema

O sistema do prédio é composto por: 

Um alimentador com válvula de bóia



Reservatório inferior



Reservatório superior



Instalação de elevação



Rede de distribuição Cada prédio conta com um reservatório de água localizado na sua

parte posterior, esse reservatório é equipado com um sistema de bóia que irá controlar a entrada de água no reservatório. Abaixo do reservatório está localizada a bomba que por se encontrar a uma altura inferior a do reservatório, esta se encontra afogada. Após a água chegar à bomba segue até a caixa d’água, através dos encanamentos, onde esta possui um sistema de bóias. Quando o reservatório superior estiver em seu nível máximo e a instalação se encontrar desligada ocorre o início do ciclo de funcionamento desse sistema. Quando o nível de água que se encontra na caixa d’água for mínimo a instalação elevatória é acionada e desliga quando estiver num nível máximo. Desta forma, havendo consumo na rede de distribuição, o nível da água no reservatório superior desce até atingir o nível de ligação (mínimo), acionando a instalação elevatória, a qual será novamente desligada quando a água voltar a atingir o nível máximo, encerrando o ciclo. Paralelamente, quando ocorre o acionamento da instalação 8

elevatória, a válvula de bóia do alimentador predial abre-se parcial ou totalmente e o reservatório inferior passa a ser alimentado pela rede de abastecimento pública. Este sistema impede que a água entre no reservatório em quantidade desnecessária.

Figura 02-

9

Figura 03-

Figura 0410

Figura 05-

Figura 06-

11

5. Dimensionamento 5.1

Vazão Para achar a vazão foi considerado que em cada apartamento há

cinco pessoas. Com base nãos valores da tabela abaixo foi possível estimar o consumo diário de água, através da seguinte fórmula:

onde, CD = consumo diário total (l/dia) C = consumo diário per capita (l/dia) P = população do edifício (pessoas)

Figura 07 – Estimativa de consumo diário de água. 12

Adotando um consumo médio de 200 l/dia “per capita” e um número de cinco pessoas por apartamento, para um total de 16 apartamentos temos um total de 16000 l/dia. Para combate a incêndio é necessário um aumento de 20% da capacidade do reservatório, logo o reservatório terá que ter uma capacidade de 19200 l. Estimando que o abastecimento da rede pública falte por dois dias a capacidade do reservatório requerida passa a ser 38400 l. Para fins práticos consideraremos a caixa d’água com uma capacidade de 20000 l. Se desejarmos que a caixa d’água leve 4 horas para encher devemos ter uma vazão de 1,4 l/s.

Utilizando o gráfico do livro de Macintyre, pag. 83, 2ª edição, figura 3.23 que relaciona a vazão e a velocidade de sucção e recalque da bomba, é possível obter os valores dos diâmetros. Através do valor obtido para a vazão, traça-se uma linha vertical no gráfico que irá interceptar as retas de velocidade correspondente à sucção e ao recalque. A partir do ponto de interseção, traça-se uma linha na horizontal que irá fornecer os diâmetros internos de sucção e recalque. Os pontos de interseção nos mostram o valor da velocidade em cada seção, ou seja, na sucção e no recalque. Logo, temos:

13

Figura 8 -Gráfico Sulzer para escolha dos diâmetros dos encanamentos de sucção e de recalque O gráfico acima apenas fornece o diâmetro interno da tubulação, para a especificação da mesma foi consultado o catálogo da Tigre para verificar a disponibilidade do encanamento no mercado, desta forma obtivemos que:

Tabela 02 – Vazões máximas das tubulações soldáveis e roscáveis. Catalogo técnico Predial Água fria – Tigre S.A Tubos e conexões.

14

5.2 Instalação

Abaixo estão listadas as cotas presentes nas instalações, como também seus acessórios. Tanto a tubulação quanto os acessórios desta instalação são de PVC rígido.

Na aspiração:     

ha= -0,5 m; Ia(comprimento desenvolvido)=3,9 m. 1 Registro de gaveta; 4 joelhos de 90º; 1 Entrada de borda;

No recalque      

hr=12,5m Ir(comprimento desenvolvido)=13,3m 1 Registro de gaveta; 1 Válvula de Retenção tipo leve; 1 Saída de canalização; 4 joelhos de 90º;

m 15

Tabela 03 – Perdas de carga localizada – Sua equivalência em metros de tubulação de PVC rígido. Extraída do Catalogo técnico Predial Água fria – Tigre S.A Tubos e conexões.

Tabela 03 – Perdas de carga localizada – Sua equivalência em metros de tubulação de PVC rígido. Extraída do Catalogo técnico Predial Água fria – Tigre S.A Tubos e conexões.

5.3 Escolha da bomba para a instalação O tipo de bomba usada no sistema será uma centrífuga, para instalações de água potável. Deverá ser determinada a potência N do motor que a aciona. Para isso, é preciso calcular primeiramente a altura monométrica correspondente a instalação 16

5.3.1

Altura manométrica Para o cálculo da altura monométrica é utilizada a seguinte expressão

Os valores de Ha e Hr foram calculados separadamente, mesmos os diâmetros de aspiração e recalque sendo iguais, pois facilitará na identificação de possíveis erros. A seguir estão agrupadas separadamente as grandezas referentes à aspiração e ao recalque.

Altura total de Aspiração (Ha) ha- altura estática de aspiração (m)

-0,5

Comprimento real do tubo de aspiração com 3,9 diâmetro de 40 mm Comprimentos equivalentes para 40 mm - 1 registro de gaveta

0,4

- 1 entrada de borda

1,8

- 4 joelhos de 90º

8,0

Comprimento real

14,1

No ábaco do catálogo técnico Predial Água fria – Tigre S.A Tubos e conexões para Q=1,4 l/s e D=40 mm, obtêm-se Vo=1,4 m/s e J1= 0,06. Perda de carga na aspiração

0, 846

Ja=comp. Real x J1 Ja=14,1 x 0,06 m/m Velocidade de aspiração Vo2/2g=1,42/(2.9,8)= Ha =ha +Ja + Vo2/2g

0,1

0, 046

17

Altura total de recalque (Hr) hr - altura estática de recalque

12,5

Comprimento real do tubo de recalque com diâmetro 13,3 de 40 mm Comprimentos equivalentes - 1 registro de gaveta

0,4

- 1 válvula de retenção tipo leve

4,9

- 4 joelhos de 90º

8,0

- 1 saída de canalização

1,4

Comprimento real

28

No ábaco do catálogo técnico Predial Água fria – Tigre S.A Tubos e conexões para Q=1,4 l/s e D=40 mm, obtêm-se V r=1,4 m/s e J2= 0,06. Perda de carga no recalque 1,68

Jr=comp. Real x J2 Jr=28,0x0, 06 m/m

Hr =hr +Jr

14,18

A altura monométrica H será: H = Há + Hr H=0, 046+14,18 = 14, 226 m.c.a. 18

Para a determinação dos parâmetros J1, J2, Va, Vr foi utilizado o ábaco abaixo que fornece a perda de carga em tubulações de PVC rígida. Além da determinação para as condições de aplicação, esses parâmetros também foram calculados para diferentes vazões. Os ábacos e os valores obtidos encontram-se no anexo.

Figura 09 – Ábaco para cálculo de perda de carga em tubulações de PVC rígida. Extraída do Catalogo técnico Predial Água fria – Tigre S.A Tubos e conexões.

19

5.3.2

Velocidade específica

Primeiramente foi determinada a rotação da bomba através da seguinte fórmula:

onde, f - freqüência; p - nº de pólos;

Para o cálculo da velocidade específica a altura dinâmica será igual a altura manométrica, umas vez que os diâmetros são iguais tanto na admissão quanto no recalque. Assim, temos:

onde, Q - vazão em m3/s Hu - altura dinâmica;

20

Como ns< 90, temos que a bomba selecionada será centrífuga pura.

5.3.3

Curva do encanamento Para o cálculo da curva do encanamento será utilizada a seguinte

fórmula: V32  V02 H u  he  J a  J r   he  J 2g

Para esse sistema temos que a velocidade de admissão é igual à velocidade de recalque. Para o diâmetro de 40 mm podemos utilizar o catálogo técnico Predial Água fria – Tigre S.A Tubos e conexões e encontrar J1 e J2 e calcular a perda de carga na admissão e no recalque, para diferentes vazões. A identificação desses parâmetros se encontra nos anexos. Tabela 04 – Curva do encanamento

Através do catálogo digital da Imbil, entramos com os valores requisitados e escolhemos uma das bombas recomendadas. A bomba escolhida foi a INI 25-150.

21

Figura 10- Seleção da bomba

Figura 11 – Bomba selecionada

22

Figura 12 – Dimensões da bomba

Através do gráfico abaixo foi possível obter os seguintes dados: Tabela 05 – Dados da curva da bomba

23

Figura 13- Curva da bomba

Através da tabela 4 – curva do encanamento da bomba - e da tabela 5 curva da bomba – foi plotado o seguinte gráfico.

24

Figura 14 – Curva do encanamento x Curva da bomba Ficando definido o ponto de operação em:

Potência Motriz Calculada (cv) 5.3.4

bomba

selecionada temos que

Acréscimo (%)

Até 2

50

3a5

30

6 a 10

25

11 a 25

15

Acima de 25

10

Potência Motriz Para

a

40,0 %. Portanto exprimindo a potência motriz, Pm, em

cavalo-vapor (cv), H em metros e Q em m3.s-1, teremos para o caso da água ( = 1.000 kgf.m-3):

Pm 

1000  Q  H 75 

cv

Na escolha dos motores elétricos, eles devem ser previstos com uma margem de segurança, que normalmente está computada nas curvas e tabelas elaboradas pelos fabricantes das bombas. Em geral, recomenda-se o seguinte acréscimo, para uma maior segurança, quando faltarem dados dos fabricantes. Tabela 06 - Potência motriz consumida corrigida (Livro B.I.B., Macintyre, página 69):

25

Assim,

.

Consultando a tabela 31.5, pág. 693, do livro B.I.B., Macintyre, de motores de indução trifásica 220 V temos disponível comercialmente o motor de 1 cv, portanto essa será a potência utilizada.

Figura 15- Curva de potência

6. Cálculo do NPSH disponível O NPSH (Net Positive Suction Head) representa a diferença entre a pressão estática absoluta e a tensão de vapor do líquido. Esse parâmetro esta associado à cavitação indicando a possibilidade de um mau funcionamento do sistema de 26

bombeamento. Caso a pressão no sistema atinja valores inferiores à pressão de vapor do líquido na condição de temperatura a qual o sistema esteja submetido, o líquido começa a se vaporizar e criar bolsas no interior das quais o liquido se evapora. A partir da velocidade alta do propulsor as bolhas são inseridas num campo de alta pressão e condensam voltando ao estado líquido. Esse processo causa choques e alterações no campo de velocidade e pressões que prejudicam o equipamento. O NPSH é dividido em dois tipos: 

O NPSHd (disponível) - indica a disponibilidade de energia do líquido ao entrar na bomba.



O NPSHr (requerido)- obtido através da curva fornecida pelo fabricante.

NPSH disponível  H b   ha  J a  hv 

Temos que: ha= -0,5 m.c.a. Ja= 0, 846 m.c.a. Hb= pressão atmosférica local Hb= 0, 980 kgf.cm-2;

Hb=

m.c.a

Tabela 07 – Pressão de vapor da água

27

Pela tabela 7 temos que hv=0, 239 m.c.a. Portanto,

Pelo software da IMBIL temos a seguinte curva do NPSHr.

Figura 16 –Gráfico do NPSHreq

A partir da figura 15 obtemos a seguinte tabela

Tabela 07- NPSHreq

28

Para a obtenção da curva do NPSHdisponível foi utilizada a tabela 3 de onde foi obtido os seguinte dados.

Tabela 08 – NPSHdisp

Uma bomba para operar sem os riscos de cavitação necessita que o líquido possua uma energia residual mínima, ou seja, a bomba deve ter seu NPSH inferior ao NPSHdisponível pela instalação, para que opere em condições favoráveis de operação. Através dos valores das tabelas do NPSHreq e do NPSHdisp foi gerado o gráfico abaixo. 29

Figura 17 – Gráfico do NPSHreq. x NPSHdisp. Pela análise do gráfico é possível observar que o NPSH disp., portanto a bomba não irá cavitar.

req.

 NPSH

7. Análise do Rendimento A partir dos dados obtidos pelo fabricante, foi possível gerar a curva de rendimento em função da vazão para o modelo selecionado. Para a vazão determinada no projeto, o sistema apresenta um rendimento em torno de 40%, não sendo o máximo rendimento apresentado pelo modelo, porém compatível com o estipulado em projeto e aceitável para o atual sistema.

30

Figura 18– Rendimento da bomba

8. Comparação com a instalação existente

Não foi possível obter uma comparação com o sistema instalado no prédio, uma vez que a bomba não possui mais nenhuma identificada impossibilitando de se obter sua potência, fator de potência, rotação, etc. A tubulação

presente na instalação possui diâmetros de sucção e recalque

31

Figura x - Bomba

9. Custo

A tabela de custos da instalação é observada abaixo. Nela está expresso o custo para a aquisição dos principais componentes constituintes do sistema de bombeamento. Os valores foram obtidos através de páginas da internet, podendo não refletir exatamente o valor verdadeiro do componente nos fornecedores situados na região. Na planilha é possível observar: 

A descrição dos itens



Os respectivos fabricantes



A quantidade utilizada no projeto



Unidade a qual o item é medido



Custo total de cada item.

32

O subtotal se refere a apenas ao custo dos componentes do sistema, portanto a planilha não cogita todo o custo necessário para a instalação visto que ainda devem ser considerados os custos de mão-de-obra (diárias, refeições, etc.) e outros tipos de materiais.

Tabela 08 – Planilha de custos Orçamento Descrição

Fabricante

1

Conjunto Motobomba 1cv

Imbil

2

Registro de gaveta

3

Joelho 90°

4

5

Preço Unitário

Qtd

Unidade

Custo Total (R$)

1

PÇ

R$

R$ 41, 02

1

PÇ

R$ 41,02

Tigre

R$ 1,02

8

PÇ

R$ 8,16

Válvula de retenção

Tigre

R$ 22,14

1

PÇ

R$ 22,14

Tubos de PVC – 1.1/4”

Tigre

R$ 16,25 (6metros)

18

metros

R$ 48,75

Sub - Total

R$

33

10. Conclusão O atual projeto permitiu a utilização de alguns conceitos relacionados à mecânica dos fluidos, em especial a hidrostática, aplicada ao dimensionamento de um sistema de bombeamento. Durante todo o projeto primou-se pelo desenvolvimento de um sistema simples e barato, que mantivesse íntegra as questões como confiabilidade e segurança, de forma que o cliente pudesse usufruir do sistema sem comprometer a operação e conforto dos condôminos na utilização da água. Nem todos os fabricantes tanto de tubulação como de bombas possuem catálogos com todas as informações necessárias à tomada de decisão para a seleção do modelo após o equacionamento de todas as variáveis necessárias ao projeto. Após o desenrolar de todo o projeto poderia ser feita uma comparação com o sistema já existente no empreendimento, porém as informações necessárias para essa comparação não puderam ser obtidas com exatidão, preferindo assim a posição de não reprovar ou aprovar o sistema já instalado. Foi verificada a situação de improviso quanto à tubulação e mesmo a fixação das bombas, que é inexistente para as duas instaladas. Em relação ao projeto desenvolvido pode-se constatar a exeqüibilidade dos resultados e um sistema confiável e coerente foi obtido, sendo assim considerado satisfatório o desenvolvimento do sistema contemplado neste relatório.

34

Como o edifício estudado apresenta quatro andares, o diâmetro de aspiração e aspiração, são idênticos, sendo iguais a 40 mm, as perdas de cargas se tornam menos acentuadas, mas percebe-se que alguns procedimentos poderiam ser utilizados para diminuir a perda de carga, como: A tubulação na aspiração poderia ser reduzida, posicionado a bomba na mesma linha do reservatório;

REFERÊNCIAS MACINTYRE, Archibald Joseph. Bombas e instalações de bombeamento. 2. ed. rev. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 1997. Norma Brasileira NBR-5626/95 - “Instalações Prediais de Água Fria” Catálogo digital Imbil motobombas disponível em: www.imbil.com.br MACINTYRE, A. J., 2010. Instalações Hidráulicas: Prediais e Industriais. 4ª ed. Rio de Janeiro: LTC. Catalogo técnico Predial Água fria – Tigre S.A Tubos e conexões http://taqi.com.br http://eletromendes.com.br Software

35

ANEXOS



Determinação dos Parâmetros J1, J2, Va, Vr, nas condições de aplicação.

36



Determinação dos Parâmetros J1, J2, Va, Vr, para Q=1l/s.

37



Determinação dos Parâmetros J1, J2, Va, Vr, para Q=1,1l/s.

38



Determinação dos Parâmetros J1, J2, Va, Vr, para Q=1,2l/s.

39



Determinação dos Parâmetros J1, J2, Va, Vr, para Q=1,4l/s.

40



Determinação dos Parâmetros J1, J2, Va, Vr, para Q=1,6l/s.

41



Determinação dos Parâmetros J1, J2, Va, Vr, para Q=1,8l/s.

42



Determinação dos Parâmetros J1, J2, Va, Vr, para Q=2,0l/s.

43



Determinação dos Parâmetros J1, J2, Va, Vr, para Q=2,5l/s.

44

45

46

47

48