re-dimensionamento de uma bomba centrífuga para o sistema de incendio.pdf

RE-DIMENSIONAMENTO DE UMA BOMBA CENTRFUGA PARA O SISTEMA

DE COMBATE A INCNDIO DE UMA PLANTA INDUSTRIAL

Matheus Donadio Gonalves

Projeto de Graduao apresentado ao Curso de Engenharia Mecnica da Escola Politcnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessrios obteno do ttulo de Engenheiro.

Orientador: Gustavo Csar Rachid Bodstein, Ph.D.

Rio de Janeiro

Fevereiro 2014

II

RE-DIMENSIONAMENTO DE UMA BOMBA CENTRFUGA PARA O SISTEMA

DE COMBATE A INCNDIO DE UMA PLANTA INDUSTRIAL


PROJETO DE GRADUAO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE

ENGENHARIA MECNICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL

DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A

OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECNICO.

Examinado por:

_____________________________________________

Prof. Gustavo Csar Rachid Bodstein, Ph.D. (Orientador)

_____________________________________________

Prof. Manuel Ernani de Carvalho Cruz, Ph.D.

_____________________________________________

Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL

FEVEREIRO 2014

III

Gonalves, Matheus Donadio

Re-dimensionamento de uma bomba centrfuga para

o sistema de combate a incndio de uma planta

industrial/Matheus Donadio Gonalves - Rio de Janeiro:

UFRJ/ESCOLA POLITCNICA, 2014.

VII, 70 p.: il.; 29,7 cm.


Projeto de Graduao UFRJ/ Escola

Politcnica/Curso de Engenharia Mecnica, 2014.

Referncias Bibliogrficas: p. 70.

1. Dimensionamento de bomba centrfuga. 2.

Sistema de bombeamento. I. Bodstein, Gustavo. II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Engenharia

Mecnica. III. Re-dimensionamento de uma bomba

centrfuga para o sistema de combate a incndio de uma

planta industrial.

IV

Resumo do Projeto de Graduao apresentado Escola Politcnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessrios para a obteno do grau de Engenheiro Mecnico.

Re-dimensionamento de uma bomba centrfuga para o sistema de combate a

incndio de uma planta industrial


Fevereiro/2014


Curso: Engenharia Mecnica

Este projeto final tem como objetivo o re-dimensionamento e verificao do resultado

de um projeto de ampliao da capacidade de um sistema de combate a incndio do

terminal de navios de uma planta industrial. Sendo assim, ser feito o dimensionamento de

uma bomba centrfuga para as condies de operao que foram definidas pela companhia.

O resultado ser confrontado com a bomba que encontra-se em operao hoje para

verificar a possibilidade de sua utilizao.

Palavras-chave: bomba centrfuga, sistema de combate incndio, NFPA 20.

V

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Engineer.

Re-sizing a centrifugal pump for firefighting system of an industrial plant


February/2014

Advisor: Gustavo Csar Rachid Bodstein, Ph.D.

Course: Mechanical Engineering

This final project aims to re-design and verify the result of a project to increase the

capacity of a system of firefighting from an industrial plant ship terminal. Thus, the design will

contemplate a centrifugal pump operating in specific conditions which are defined by the

company. The result will be compared with the pump that is in operation today to verify the

possibility of its use.

Keywords: centrifugal pump, firefighting system, NFPA 20.

VI

Sumrio

I. Objetivo e Introduo .......................................................................................... 1

II. Bombas Hidrulicas ............................................................................................ 2

II.1 Bombas Dinmicas ...................................................................................... 2

II.2 Bombas Volumtricas .................................................................................. 4

III. Bomba Centrfuga ............................................................................................... 6

III.1 Principais Componentes............................................................................... 6

III.2 Propriedades das Bombas Centrfugas ...................................................... 15

IV. Descrio do Sistema........................................................................................ 22

IV.1 Funcionamento ....................................................................................... 22

IV.2 Linha de Incndio ................................................................................... 23

IV.3 Equipamentos a Serem Estudados ......................................................... 24

V. Dimensionamento do Sistema ........................................................................... 31

V.1 Levantamento da Tubulao ...................................................................... 31

V.2 Curva de Perda de Carga dos Equipamentos ............................................ 32

V.3 Perda de Carga na Descarga ..................................................................... 36

V.4 Perda de Carga na Suco ........................................................................ 42

V.5 Curva do Sistema ....................................................................................... 43

V.6 NPSH Disponvel........................................................................................ 44

VI. Bomba Principal ................................................................................................ 45

VI.1 Ponto de Trabalho da Bomba Atual ........................................................ 45

VI.2 Seleo de Nova Bomba ........................................................................ 47

VII. Concluso ......................................................................................................... 53

VII

VIII. Anexos ....................................................................................................... 54

VIII.1 Tabelas de Consulta de Comprimentos Equivalentes ............................. 54

VIII.2 Grfico de Rugosidade Relativa ............................................................. 57

VIII.3 Desenhos esquemticos do sistema ....................................................... 58

VIII.4 Curvas da bomba atual ........................................................................... 64

VIII.5 Curvas da nova bomba ........................................................................... 65

VIII.6 Tabelas de clculo de comprimento equivalente ..................................... 66

VIII.7 Tabela de desnveis de cada trecho ....................................................... 69

IX. Referncias ....................................................................................................... 70

1

I. Objetivo e Introduo

Este projeto final tem como objetivo o re-dimensionamento e verificao do resultado

de um projeto de ampliao da capacidade de um sistema de combate a incndio do

terminal de navios de uma planta industrial.

Sendo assim, ser feito o dimensionamento de uma bomba centrfuga para o

sistema que encontra-se em operao. Caso a bomba que encontra-se em operao hoje

no atenda as condies que foram definidas pela companhia ser proposta e selecionada

uma nova bomba para o sistema.

Devido a sua natureza comercial e industrial este dimensionamento deve,

obrigatoriamente, seguir normas bastantes rigorosas para sua implementao ser aprovada

pela companhia e pelo estado. A norma a ser seguida a NFPA 20. Esta norma,

pertencente ao National Fire Protection Association, estabelece um padro reconhecido

internacionalmente para a seleo e instalao de bombas estacionarias para proteo

contra incndio. A mesma tem como objetivo garantir que o sistema funcionar como

projetado, de forma a fornecer o suprimento de gua confivel e adequado em uma

situao de emergncia.

O dimensionamento, por sua vez, deve ser executado de forma a garantir o

funcionamento simultneo de dois canhes monitores fixos (gua + espuma opcional),

1500 [lpm], e dois esguichos manuais (gua + espuma), 400 [lpm]. Estas vazes foram

solicitadas pela companhia para garantir o funcionamento dos equipamentos em condies

desejadas por ela e necessrias para atender s normas aplicveis. O funcionamento

destes equipamentos no ponto de trabalho estabelecido de grande importncia, pois estas

condies garantiro um alcance j estipulado pela empresa (a ambos os equipamentos) e,

caso isto no seja atendido, alm de no cumprir as normas, o sistema no ter a

capacidade de auxiliar o combate a incndio em navios que aportarem no terminal da

empresa.

2

II. Bombas Hidrulicas

Bombas hidrulicas so mquinas utilizadas para transportar fluidos de um ponto a

outro fornecendo energia ao mesmo. Esta energia pode ser cedida na forma de presso, na

forma cintica ou em ambas. A bomba, por sua vez, recebe energia de uma fonte motora,

uma mquina qualquer. Deve-se observar que, como a bomba possui uma certa eficincia

quando em situaes reais, nem toda a energia que a mesma recebe da mquina motora

transferida ao fluido.

As bombas hidrulicas so, devido a sua grande variedade de estruturas e princpios

de funcionamento, dividias em dois principais grupos, so eles: bombas dinmicas (ou turbo

bombas) e bombas volumtricas (ou de deslocamento positivo).

II.1 Bombas Dinmicas

As bombas dinmicas so bombas nas quais a energia cedida ao fluido

encontrada sob forma de energia cintica. Esta energia normalmente transferida a partir

de um rotor (ou impelidor). Apesar deste impelidor apresentar caractersticas diferentes para

cada tipo de bomba dinmica o princpio de funcionamento deles o mesmo.

A energia cintica do impelidor provm, como mencionado antes, de uma mquina

motora. Esta, por sua vez, pode ser de diferentes tipos e seu princpio de funcionamento

no modifica a classificao da bomba a ser acoplada na mesma. Ou seja, uma bomba

dinmica pode ser alimentada tanto por um motor eltrico quanto por um motor a diesel ou

gasolina e, qualquer que seja o tipo do motor, a bomba continua sendo uma turbo bomba.

Sendo assim, o fluido tem sua energia cintica aumentada aps passar pelo

impelidor. Porm, o objetivo de uma bomba hidrulica no aumentar a velocidade do

fluido e, sim, sua presso. Desta forma, percebe-se que h a necessidade de transformar

esta energia cintica em energia de presso ainda dentro da bomba. Para isto, utiliza-se

uma pea chamada voluta.

3

A voluta tem como principais funes acomodar o fluido e transformar, atravs de

uma variao de seo de rea, a velocidade do mesmo em presso. Este funcionamento

ser explicado em detalhes mais frente.

importante observar que o desempenho destas bombas est diretamente

relacionado ao sistema ao qual as mesmas esto acopladas. Ou seja, caso o sistema

fornea maior resistncia a movimentao do fluido a capacidade da bomba ser reduzida,

tendo uma vazo de operao menor. Em consequncia disto, as bombas dinmicas

possuem diversas curvas que caracterizam seu desempenho, como: curva head x vazo,

potncia x vazo, rendimento x vazo etc. As mesmas sero discutidas em detalhes quando

estudarmos a bomba referente a este projeto. Segue, na Figura II.1, o esquema de uma

bomba dinmica.

Figura II.1 Esquema de uma bomba dinmica (Pump Fundamentals, 2013)

4

Os exemplos mais comuns de bombas dinmicas so: Bombas Centrfugas (Puras

ou Radiais e Francis), Bombas de Fluxo Misto, Bombas de Fluxo Axial e Bombas Perifricas

ou Regenerativas.

II.2 Bombas Volumtricas

As bombas volumtricas, ao contrrio das bombas dinmicas, tm como

caracterstica principal o fato da transferncia de energia se dar diretamente na forma de

presso. Sendo assim, no h necessidade de utilizao de uma pea como a voluta, j

que no preciso realizar nenhuma transformao de energia no equipamento.

Esse grupo de bombas possui este nome pois a transferncia de energia obtida

atravs do deslocamento de volumes finitos de fluido diretamente para a presso elevada.

Este deslocamento, por sua vez, tambm est relacionado ao movimento de uma mquina

motora. Porm, ao invs de ser o impelidor que realiza a transferncia de energia ao fluido,

a mesma feita a partir de uma pea mecnica qualquer (esta depende do tipo de bomba)

que obriga o fluido a seguir seu movimento.

Pode-se observar que, como o deslocamento do fluido est ligado diretamente ao

movimento da pea mecnica, a vazo deste tipo de bomba , em mdia, invarivel (caso a

rotao da pea mecnica seja constante) e independe do sistema ao qual a mesma est

acoplada.

Sendo assim, as bombas volumtricas no possuem curvas caractersticas como as

bombas dinmicas pois a vazo do fluido est diretamente ligada a rotao do motor e a

variao da mesma no modifica o acrscimo de presso a ser fornecido (j que volumes

finitos so deslocados diretamente para o ponto onde a presso igual a presso de

descarga da bomba). O rendimento da bomba tambm independe da rotao do motor.

Ento, a nica curva que faz sentido ser analisada a curva potncia x vazo j que nos

fornece informaes importantes quanto a taxa de energia a ser fornecida pelo motor para

funcionamento da bomba no ponto de trabalho desejado.

5

Figura II.2 Esquema de uma bomba de engrenagens (Mattos & Falco, 1998)

Os exemplos mais comuns de bombas volumtricas so: Bombas Alternativas

(Pisto, mbolo e Diafragma) e Bombas Rotativas (Engrenagens - Figura II.2, Lbulos,

Parafusos e Palhetas Deslizantes).

6

III. Bomba Centrfuga

A bomba centrfuga um tipo de bomba dinmica (ou turbo bomba) e,

especificamente, a bomba que ser estudada e dimensionada neste projeto. O princpio

de funcionamento da bomba centrfuga, apesar da mesma ser um dos diversos tipos de

bombas dinmicas, exatamente o mesmo do explicado anteriormente.

Este tipo de bomba requisito bsico para qualquer sistema de combate a incndio.

Isto se deve ao fato das bombas centrfugas serem projetadas e indicadas para operar a

grandes vazes e no to elevadas presses. Estas condies caracterizam, exatamente, o

caso encontrado nestas situaes emergenciais.

A alta vazo demandada est diretamente relacionada a abertura de diferentes

terminais de captao de gua da linha em uma emergncia. Dificilmente, um combate a

incndio feito com somente uma mangueira ou equipamento. E caso o incndio se

estenda por uma vasta regio necessrio que o sistema suporte uma demanda ainda

maior.

III.1 Principais Componentes

Os principais componentes de uma bomba centrfuga, apesar de serem os mesmos

para qualquer bomba deste tipo, tm sua estrutura ou material diferenciados para cada

aplicao. Sendo assim, ser feita uma apresentao geral dos componentes mais

importantes de uma bomba centrfuga.

III.1.1 Impelidor

O impelidor, como explicado anteriormente, a parte mecnica da bomba que, ao

movimentar-se, transfere energia cintica para o fluido que passa por ele.

Cada tipo de bomba dinmica possui uma configurao de impelidor diferente e

cada variao de estrutura confere ao mesmo diferentes condies de trabalho. Cada uma

destas formas servem para aplicaes diferentes e trazem benefcios especficos. O

7

impelidor de uma bomba centrfuga pode ser aberto, semi-aberto ou fechado e de simples

ou dupla suco. Alguns tipos comuns de impelidores podem ser observados na Figura III.1.

Figura III.1 Impelidores aberto, semi-aberto e fechado (Damasgate, 2013)

Bombas centrfugas com impelidores abertos so as mais comuns hoje em dia

porque os mesmos so bem mais baratos que os impelidores fechados. Isto se deve ao fato

do processo de fabricao deles ser bem mais simples. Outra vantagem destes impelidores

a possibilidade de adaptao do mesmo para diferentes condies de operao. Ou seja,

o impelidor pode ser facilmente usinado para modificar o ponto de operao da bomba, o

que permite aos fabricantes fornecerem bombas que atendam a uma gama de situaes

com uma fcil adaptao do impelidor. Este fato, por sua vez, gera uma padronizao das

bombas fabricadas e uma consequente reduo de custos e barateamento do produto final.

8

Figura III.2 Impelidores com simples e dupla suco (Damasgate, 2013)

Impelidores com simples suco so os impelidores mais comuns no mercado. A

nica diferena em relao ao impelidor de dupla suco que aquele permite a suo de

duas tubulaes opostas ao mesmo tempo. Segue uma comparao na Figura III.2.

III.1.2 Carcaa

A carcaa de uma bomba centrfuga tem como principais funes a conteno do

fluido no interior da bomba e a converso de energia cintica em energia de presso.

Existem alguns diferentes tipos de carcaa e, assim como nos impelidores, cada tipo se

refere a uma aplicao diferente. Sero abordados a seguir os diferentes tipos principais de

carcaas.

III.1.2.1 Carcaa em Voluta

A carcaa em voluta, Figura III.3, como mencionado anteriormente, tem duas

funes principais: acomodar o fluido na sada do impelidor e converter a energia cintica

fornecida a ele em energia de presso.

A necessidade de acomodao do fluido na sada do impelidor se deve ao fato da

fluxo na sada do impelidor ser, no caso da bomba centrfuga, radial. Caso a carcaa fosse

concntrica ao impelidor e com uma mesma seo reta ao longo de todo o impelidor, o

9

fludo iria se acumulando cada vez mais conforme fosse se afastando do ponto de coleta

inicial da carcaa no sentido do fluxo. Isto, por sua vez, geraria uma fora resultante no eixo

da bomba que seria extremamente desfavorvel ao funcionamento da bomba e a sua vida

til devido ao esforo excessivo e vibraes constantes.

Figura III.3 Esquema de uma carcaa em voluta

Sendo assim, a voluta possui um aumento de seo reta de captao ao longo de

seu comprimento no sentido do fluxo, o que suporta o aumento gradual de fluido coletado

evitando seu acmulo e suas consequncias. Ao final do contorno do impelidor a voluta

possui uma parte difusora que fornece a converso da energia cintica do fluido em

presso.

Deve-se ressaltar que este tipo de carcaa possui uma vazo de projeto. Caso a

vazo de operao seja diferente da vazo de projeto seus benefcios podem ser reduzido e

at mesmo anulados. Na Figura III.4 segue um grfico que confronta os esforos radiais

com a vazo de operao.

10

Figura III.4 Relao entre esforos radiais e vazo (Mattos & Falco, 1998)

III.1.2.2 Carcaa com Dupla Voluta

Quando as vazes de operao so muito elevadas torna-se necessria a utilizao

de carcaas com dupla voluta, Figura III.5. Este tipo de carcaa reduz ainda mais os

esforos radias impondo uma simetria na construo da voluta.

Figura III.5 Esquema de uma carcaa em dupla voluta (DEC UFCG, 2013)

11

A partir da figura a cima podemos observar que esta configurao obtida atravs

da diviso da voluta em duas partes defasadas de 180. Isto gera um balanceamento dos

esforos radiais.

III.1.2.3 Carcaa com Ps Difusoras

A carcaa com ps difusoras, Figura III.6, uma carcaa que, como o prprio nome

diz, possui diversas ps ao longo de todo seu contorno.

Figura III.6 Esquema de uma carcaa com ps difusoras (Mattos & Falco, 1998)

Estas ps funcionam como difusores pois as mesmas tm suas sees de rea

intermediarias gradualmente aumentadas convertendo assim, a velocidade em presso.

Note que esta configurao elimina a necessidade de utilizao da voluta para acomodar o

fluido pois o mesmo no ocorre neste caso. No entanto, este tipo de carcaa de alto custo

e complexidade quando comparada a carcaa em voluta.

III.1.3 Vedao

Devido estrutura das bombas centrfugas a vedao tambm um fator essencial

para o seu funcionamento pleno. Conforme mencionado anteriormente, o impelidor das

12

turbo bombas movimentado por um motor externo s bombas. Isto por sua vez, implica na

necessidade de um eixo de transmisso atravessar a carcaa da bomba devido ao fato do

impelidor permanecer alojado no interior da mesma.

Sendo assim, caso no houvesse um sistema de vedao eficiente, a bomba,

quando operada acima da presso atmosfrica, apresentaria vazamento de fluido e perda

de eficincia. Caso a bomba opere abaixo da presso atmosfrica, sua funo impedir a

entrada de ar. No entanto, existem dois tipos principais de vedao para bombas. A seguir,

ser detalhado o princpio de funcionamento de cada um deles.

III.1.3.1 Vedao por Gaxetas

A vedao por gaxetas, Figura III.7, consiste na presena de uma extenso a

carcaa da bomba na direo do eixo de transmisso. Esta espcie de caixa (caixa de

gaxetas) envolve o eixo com uma certa folga e permite a insero de anis (gaxetas) em

torno do mesmo. Estes anis so, por sua vez, comprimidos por intermdio de uma pea

chamada de sobreposta.

Figura III.7 Esquema de uma caixa de gaxetas (Mattos & Falco, 1998)

13

A sobreposta funciona como uma espcie de tampa que pode ter seu aperto

regulado por parafusos. Sendo assim, possvel controlar a presso com que os anis de

gaxeta so comprimidos regulando o vazamento do fluido.

Vale ressaltar que, apesar de ser um sistema de vedao, o vazamento nunca

parado por completo. Isto se deve ao fato de um vazamento mnimo ser necessrio para

lubrificar os anis de gaxeta e evitar seu desgaste acelerado.

Alm dos anis principais de vedao existem alguns outros tipos de anis com

funes especficas no sistema de vedao como: bucha de garganta e anel de lanterna.

A bucha de garganta o primeiro anel a ser introduzido na caixa de gaxetas e tem

como funo principal induzir uma perda de carga calculada e reduzir a presso transmitida

a caixa de gaxetas pelo fluido de trabalho que circula na bomba. Outra funo essencial que

ela possui a de reduzir o contato dos anis de vedao com possveis fluidos abrasivos

com os quais a bomba poderia estar operando.

O anel de lanterna utilizado quando h necessidade de utilizao de um fluido de

selagem na caixa de gaxetas. Isto ocorre quando a bomba opera com presso abaixo da

atmosfrica (para evitar que entre ar na bomba) ou quando a bomba opera com produtos

inflamveis ou txicos que no podem vazar, nem mesmo minimamente, pela caixa de

gaxetas. Este anel funciona como uma conexo para a entrada do lquido de selagem.

Dependendo de sua funo o anel de lanterna pode ser posicionado de formas diferentes

dentro da caixa. Por exemplo, caso se deseje proteger a caixa de gaxetas do fluido de

operao da bomba desloca-se o mesmo para perto da bomba.

III.1.3.2 Vedao por Selo Mecnico

A vedao por selo mecnico, Figura III.8, uma alternativa a vedao por gaxetas.

No entanto, este tipo de vedao mais cara e utilizada, normalmente, quando preciso

conter o vazamento do sistema de vedao por completo, mesmo operando sobre

condies severas de presso.

14

Este sistema composto de dois conjuntos: um rotativo e solidrio ao movimento do

eixo e outro estacionrio. Estes dois conjuntos possuem faces de vedao que so

continuamente comprimidas uma contra a outra por intermdio de molas. Este contato

permanente, por sua vez, realiza a vedao. Esta vedao chamada de vedao primria

ou vedao dinmica.

Figura III.8 Esquema de um selo mecnico (Mattos & Falco, 1998)

Alm desta primeira vedao existe, tambm, uma vedao secundria que

realizada por anis que so posicionados em uma espcie de cmara entre as faces

principais de vedao. Isto, por sua vez, impede que o fluido escoe para dentro do selo.

Este sistema, apesar de ser bastante eficiente, caro e no indicado para situaes onde

ocorram bastante vibrao devido a sua fragilidade mecnica.

15

III.2 Propriedades das Bombas Centrfugas

III.2.1 Curva Head X Vazo

O head de uma bomba (ou carga da bomba) a energia por unidade de massa ou

energia por unidade de peso que a bomba tem condies de fornecer ao fluido para uma

determinada vazo.

Por motivos convenincia ou costume no mercado as curvas head x vazo tendem

a ser fornecidas pelos fabricantes nas seguintes unidades:

kgf x m / kgf, m ou lbf x ft / lbf, ft

Na Figura III.9 segue um exemplo deste tipo de curva:

Figura III.9 Exemplo de grfico Head X Vazo (Escola da Vida, 2013)

Esta curva muito importante para a escolha da bomba pois quando cruzada com a

curva head x vazo do sistema nos fornece o ponto de trabalho da bomba.

16

III.2.2 Ponto de Trabalho

O ponto de trabalho da bomba, como mencionado anteriormente, corresponde a

interseo da curva head x vazo da bomba com a curva head x vazo do sistema.

O head do sistema possui praticamente a mesma definio do head da bomba. Ele

a energia por unidade de massa ou energia por unidade de peso que o sistema oferece

como resistncia ao escoamento do fluido para uma determinada vazo. Ou seja, o

cruzamento das duas curvas, Figura III.10, nos indica o ponto no qual a bomba deve operar

quando utilizada naquele sistema.

Figura III.10 Interseo de curvas da bomba e do sistema (OMEL, 2013)

Uma vez determinado o ponto de trabalho podemos saber as condies principais

de operao da bomba, sua vazo e head. A partir do momento que temos a vazo de

operao da bomba podemos utiliz-la em duas outras curvas caractersticas e determinar

a eficincia da bomba e a potncia requerida para operao naquele ponto.

17

III.2.3 Curva Eficincia x Vazo

A curva eficincia x vazo, Figura III.11, como o prprio nome diz, a curva que

relaciona a eficincia de operao da bomba com a vazo a qual ela opera.

Figura III.11 Exemplo de grfico Eficincia X Vazo (Escola da Vida, 2013)

O rendimento (ou eficincia) da bomba determinado pela equao (III.1).

n = potncia til cedida ao fluido

potncia absorvida pela bomba (III.1)

Vale ressaltar que neste rendimento esto includos o rendimento hidrulico, o

rendimento mecnico e o rendimento volumtrico da bomba. A partir do momento que

determinamos o ponto de operao da bomba utilizamos a sua vazo na curva eficincia x

vazo a cima e determinamos a eficincia da bomba.

III.2.4 Curva de Potncia X Vazo

A curva potncia x vazo, Figura III.12, uma curva muito importante pois ela

explicita a potncia requerida pela bomba. Esta potncia est diretamente relacionada a

potncia do motor utilizado para operar a bomba. Sendo assim, para um projeto de

dimensionamento, esta curva essencial para a seleo do motor.

18

Figura III.12 Exemplo de grfico Potncia X Vazo (Escola da Vida, 2013)

importante ressaltar que quando o fabricante no fornece esta curva a mesma

pode ser calculada pela equao (III.2).

Potabs = QH

(III.2)

Sendo:

= densidade do fluido

Q = vazo do fluido

H = head do ponto de operao

= eficincia da bomba

III.2.5 Cavitao

Apesar do projeto em questo estar relacionado ao dimensionamento de uma

bomba centrfuga, o conceito de cavitao muito importante no estudo das bombas

centrifugas e essencial para o entendimento de algumas propriedades de projeto, como o

NPSH, que ser definido e tratado mais frente.

19

A cavitao um fenmeno que provm da vaporizao do fluido no interior da

bomba quando o mesmo atinge uma presso inferior a presso de vapor. Este

acontecimento muito comum prximo ao impelidor devido a rarefaes do lquido devido

s prprias natureza de escoamento do fluido ou ao movimento de impulso.

Este fenmeno extremamente prejudicial ao funcionamento da bomba pois as

bolhas que se formam so arrastadas pelo movimento do fluido e, devido ao prprio

funcionamento da bomba, quando as presses so novamente elevadas a cima da presso

de vapor do fluido estas bolhas se colapsam e geram ondas de choque que podem danificar

as ps do impelidor ou outras partes da bomba. O colapso destas bolhas pode causar, alm

de danos a integridade estrutural da bomba, barulho e vibrao excessivos e queda no

desempenho, Figura III.13.

Figura III.13 Influncia da cavitao nas curvas da bomba (Mattos & Falco, 1998)

Sendo assim, todas as bombas so projetadas para minimizar este fenmeno e

tambm possuem limitaes de aplicaes em certas condies de suco governadas por

uma propriedade chamada de NPSH.

20

III.2.6 NPSH

O NPSH (ou Net Positive Suction Head) a energia por unidade de peso que o

fluido possui na suco acima da presso de vapor do mesmo. Ou seja, quanto o mesmo

pode perder de head antes de se transformar em vapor e fazer a bomba cavitar.

Existem duas definies de NPSH, o requerido (que fornecido pelo fabricante da

bomba) e o disponvel (calculado de acordo com as condies de suco).

O NPSH requerido est relacionado as perdas da bomba entre o flange de suco e

o olho do impelidor. Isto implica na necessidade do fluido possuir um certo head positivo

acima da presso de vapor no flange de suco para no virar vapor antes de atingir o

impelidor.

Figura III.14 Exemplo de grfico NPSHr X Vazo (Escola da Vida, 2013)

Como o NPSH requerido est diretamente relacionado a vazo de operao, Figura

III.14, comum e necessrio o fabricante fornecer uma curva que relacione o NPSH

requerido pela bomba e sua vazo de operao. O NPSH disponvel pode ser calculado

pela equao (III.3).

NPSHd = Hs + (Pa Pv)

(III.3)

21

Sendo:

NPSHd = (NPSH disponvel)

Hs = (head de suco)

Pa = (presso atmosfrica)

Pv = (presso de vapor do fluido)

= (peso especfico do fluido)

Vale ressaltar que, para no haver cavitao, o NPHS disponvel deve ser sempre

maior que o NPSH requerido. comum utilizarmos uma margem para esta diferena, uma

espcie de coeficiente de segurana. Sendo assim, costume seguir a equao (III.4).

NPSHd NPSHr + 0.6 [m] (III.4)

Sendo:

NPSHr = (NPSH requerido)

22

IV. Descrio do Sistema

O sistema de combate a incndio, como o prprio nome indica, um sistema crtico

de qualquer instalao, industrial ou no. Ele a ltima barreira contra potenciais incndios

e possveis catstrofes. Esta criticidade, por sua vez, faz com que o mesmo seja, em certos

aspectos, normatizado e padronizado para diferentes situaes.

Devido natureza especfica do sistema, convm fazer uma anlise separada para

cada equipamento do mesmo abordando, alm de suas caractersticas tcnicas, todos os

seus aspectos que so relacionados as normas aplicveis. Sendo assim, aps a descrio

de cada equipamento sero feitas as referncias as normas aplicveis e indicado em quais

pontos aquele equipamento limitado ou normatizado para que sua utilizao neste tipo de

sistema seja permitida, aprovada legalmente e confivel.

IV.1 Funcionamento

Apesar de ser um sistema bastante complexo, seu funcionamento bastante

simples. O sistema projetado e preparado de tal forma que, ao abrir-se qualquer hidrante,

esguicho ou canho em qualquer parte da linha, a sbita despressurizao identificada e

o sistema entra em ao.

O reservatrio de gua que servir de abastecimento a bomba principal a Baa de

Guanabara. Porm, devido ao fato da suco ser negativa, existe uma vlvula de p que

mantm a coluna de gua da tubulao de suco preenchida e um tanque de escorva para

eventuais falhas deste equipamento.

Para evitar ativaes indesejadas da bomba principal existe tambm uma bomba

auxiliar chamada de Bomba Jockey que toma o seu lugar em situaes especficas que no

caracterizem uma demanda de gua de um combate emergencial. Devido a sua menor

capacidade a Bomba Jockey , neste caso, uma bomba eltrica. Seu funcionamento ser

detalhado mais frente. A bomba principal, por sua vez, tem como combustvel o Diesel.

Sendo assim, necessrio manter um tanque de armazenagem de diesel perto da mesma.

23

Ao fim do combate, a bomba deve ser desligada manualmente pois, apesar da

bomba principal entrar em operao automaticamente para um combate emergencial, ela

deve ser desligada manualmente para garantir que h, realmente, a inteno de se desligar

a bomba. Caso ela desligasse automaticamente, poderia ocorrer, eventualmente, um

desligamento acidental durante um combate. Isto, por sua vez, poderia resultar em uma

catstrofe.

IV.2 Linha de Incndio

A tubulao de incndio abordada no projeto uma tubulao relativamente antiga

mas que fora recentemente ampliada e reparada para receber e suportar o novo sistema

que seria implantado.

Apesar da tubulao da planta ter o caracterstico formato de anel presente em

diversas instalaes industriais, somente uma parte deste anel ser estudada neste projeto.

Tal escolha, a uma primeira vista, pode no parecer muito sensata. Porm, vale ressaltar

que todo o projeto ser baseado neste trecho pois o mesmo foi indicado pela companhia

como a situao crtica de funcionamento do sistema. Ou seja, as condies de operao

que sero impostas a este trecho fazem com que o mesmo represente a condio hidrulica

mais desfavorvel, em que ser demandada mais vazo e capacidade da bomba de

incndio (quando comparado com outras combinaes possveis ao longo de todo o anel).

De acordo com a norma NFPA 20 toda a linha de incndio deve ser constituda de

tubulao Schedule 40 sem costuras. Apesar do dimensionamento da linha no fazer parte

do projeto, vale ressaltar que a tubulao em questo j atende a esta norma. No captulo

de dimensionamento do sistema ser apresentado um levantamento detalhado da linha.

24

IV.3 Equipamentos a Serem Estudados

IV.3.1 Bomba Principal

A bomba principal a prpria bomba a ser dimensionada neste projeto. Como

mencionado anteriormente ela uma bomba centrfuga. O funcionamento da mesma

tambm j foi previamente explicado. Sendo assim, ser detalhada agora a bomba que se

encontra atualmente em operao e que ser confrontada ao dimensionamento realizado

neste projeto.

A bomba atual tambm uma bomba centrifuga. No entanto uma bomba

horizontal com carcaa bi-partida radialmente. Esta mesma carcaa feita de ferro fundido

e o rotor (ou impelidor) de ao inox. A vedao do eixo feita atravs de gaxetas e o

mesmo feito de ao carbono.

O motor que fornece energia a esta bomba um motor diesel estacionrio Mercedes

Benz de 235 [cv] de potncia e com rotao nominal de 2100 [rpm]. As curvas da bomba

encontram-se no anexo VIII.4.

IV.3.2 Esguichos Manuais

Enquanto os canhes monitores so equipamentos fixos, os esguichos manuais so

equipamentos mveis limitados pelo alcance da mangueira utilizada. Eles so normalmente

utilizados como lanadores de espuma atravs da utilizao de um LGE (lquido gerador de

espuma). O conjunto do esguicho constitudo por um proporcionador, Figura IV.1, uma

mangueira e um lanador, Figura IV.2.

25

Figura IV.1 Proporcionador de linha tipo PL - Kidde

O proporcionador uma pea que possui um orifcio calibrado onde a velocidade da

gua aumentada. Neste local forma-se uma zona de baixa presso que, devido a um

acoplamento aonde conectado um recipiente com LGE, faz com que o LGE seja arrastado

junto ao fluxo de gua.

Figura IV.2 Lanador de espuma modelo R - Kidde

Esta mistura (gua + LGE) conduzida pela mangueira at o lanador. Neste

lanador a velocidade tambm aumentada em certo local utilizando o mesmo princpio.

26

Porm, desta vez, o que arrastado ar atmosfrico e esta nova mistura (gua + LGE + ar)

forma a espuma que utilizada no combate a incndio.

IV.3.3 Canhes Monitores Fixos

Os canhes monitores fixos, Figura IV.3, so normalmente usados em situaes que

demandam grande vazo de gua e alcance em um local especfico. Devido ao fato de

serem fixos estes equipamentos possuem rea de ao limitada. O conjunto completo do

equipamento composto por um corpo (a prpria estrutura do canho), um tubo laminador

e um esguicho.

Figura IV.3 Canho monitor fixo modelo MR402 - Mecnica Reunida

A estrutura do canho funciona como uma base mvel e permite o direcionamento

do jato dgua. O tubo laminador, Figura IV.4, equipamento que acoplado ao corpo do

canho, serve para reduzir a turbulncia do jato e permitir um maior alcance.

27

Figura IV.4 Esguicho modelo HF350/500 - Kidde

O esguicho, ltimo acessrio do conjunto, permite a adequao do jato de gua e

aplicao opcional de espuma caso necessrio. Esta adequao do jato est relacionada a

possibilidade de regulagem do mesmo para tomar a forma de um jato pleno ou neblina.

Enquanto o jato pleno possui maior alcance o jato neblina (ou nvoa) fornece proteo ao

operador contra o calor irradiado e as chamas. A aplicao de espuma opcional realizada

atravs do mesmo princpio explicado para o esguicho manual.

Seu funcionamento bastante simples: consiste na abertura de uma vlvula para

liberao do fluxo dgua, no direcionamento do jato (realizado na estrutura do canho) e na

regulagem do mesmo no esguicho.

IV.3.4 Outros Equipamentos Vitais para o Sistema

Alm dos equipamentos que faro parte do re-dimensionamento no se pode deixar

de falar sobre alguns outros equipamentos de sistemas de combates a incndio que so,

tambm, vitais para o funcionamento do conjunto como um todo.

Especialmente, devido as suas respectivas importncias e funes no sistema os

mesmos so, tambm, mencionados em diversas normas quanto s suas estruturas,

condies de operaes e caractersticas principais. Sendo assim, este projeto tambm far

meno aos principais aspectos de cada um destes equipamentos e s normas aplicveis

aos mesmos.

28

IV.3.4.1 Hidrantes

Os hidrantes, Figura IV.5, so, basicamente, os tipos mais comuns e frequentes de

terminais de qualquer tubulao de combate a incndio. De acordo com a NBR 13714, item

3.8, eles so pontos de tomada de gua onde h uma (simples) ou duas (duplo) sadas

contendo vlvulas angulares com seus respectivos adaptadores, tampes, mangueiras de

incndio e demais acessrios.

Figura IV.5 Hidrante Industrial (NETFIER, 2013)

interessante que todas as sadas de gua dos hidrantes sejam voltadas para o

cho e, de preferncia, para as laterais. Isto se deve a possibilidade de ocorrerem eventuais

vazamentos nas vlvulas. Isto, por sua vez, pode gerar uma pressurizao nos tampes

fazendo com que os mesmos sejam lanados como projteis quando desengatados das

vlvulas. devido a esta condio desfavorvel que, alm da geometria indicada,

recomendado que os tampes possuam pequenos orifcios por onde qualquer vazamento

possa ser escoado evitando o acmulo de presso entre o tampo e a vlvula.

Tambm de acordo com a NBR 13714, item 5.3.2, os hidrantes devem ser

distribudos de tal forma que qualquer ponto da rea a ser protegida seja alcanado por um

29

ou dois esguichos, considerando-se o comprimento da(s) mangueira(s) e seu trajeto real e

desconsiderando-se o alcance do jato de gua.

IV.3.4.2 Mangueiras

As mangueira de incndio so os equipamentos utilizados para conduzir o fluxo de

gua de algum terminal da linha de incndio algum outro equipamento ou diretamente ao

combate.

Por serem um equipamento extremamente crtico as mesmas so mencionadas e

reguladas por diversas normas, entre elas: NBR 12779:2009 (Mangueira de incndio -

Inspeo, manuteno e cuidados) e NBR 11861:1998 (Mangueira de incndio - Requisitos

e mtodos de ensaio). possvel observar que nessas normas so abordadas as atividades

de inspeo, ensaio e manuteno.

Um bom exemplo de normatizao encontrada nestes documentos a padronizao

das informaes de controle e identificao da mesma que devem estar gravadas no corpo

da mangueira. Isto abordado no item 4 da NBR 12779:2009. Entre estas informaes

devem estar presentes: data do ltimo ensaio, nome do executante e validade.

IV.3.4.3 Bomba Jockey

A bomba Jockey um equipamento fundamental para o funcionamento do sistema

de combate a incndio. A funo principal dela manter a linha pressurizada a todo

instante.

Toda linha de incndio apresenta, inevitavelmente, algum vazamento em um

momento de sua vida til. Isto pode acontecer devido ao desgaste causado pelo prprio

fluido de trabalho da tubulao ou mesmo por qualquer outra influncia externa.

O problema que cada um desses vazamentos despressuriza a linha de incndio e,

caso no houvesse a presena da Bomba Jockey, faria com que a bomba principal entrasse

em operao. Tal consequncia extremamente indesejada pois, alm de representar um

desperdcio de combustvel (causado pela operao desnecessria), tambm poderia

30

causar algum dano a tubulao devido ao aumento exagerado da presso na presena de

uma possvel falha (um furo).

Outro problema comum de um acontecimento destes est ligado a logstica da

planta. Cada ativao da bomba faria soar uma sirene que, por sua vez, mobilizaria toda a

brigada da planta para uma falsa emergncia. Isto seria algo inaceitvel para o

funcionamento da planta, j que os funcionrios da brigada realizam tambm outras funes

e isto pararia a produo a cada evento destes.

IV.3.4.4 Tanque de Escorva e Vlvula de P

O tanque de escorva e a vlvula de p compartilham do mesmo objetivo: manter o

interior da bomba e a tubulao de suco cheias dgua.

O tanque de escorva um tanque que fica mantido acima da bomba principal e sua

funo afogar a bomba antes da mesma ser ligada a fim de evitar uma rotao em falso e

uma possvel danificao da bomba. Isto se deve ao fato da incapacidade das bombas

centrfugas operarem quando no afogadas devido ao alto grau de compressibilidade do ar

(no permitindo a suco do lquido do reservatrio).

A vlvula de p uma pea acoplada a ponta da tubulao de suco que fica

submersa em um reservatrio dgua em um sistema com suco negativa. Esta, por sua

vez, somente permite a passagem de gua no sentido da suco evitando a fuga de gua

de volta para o reservatrio. Isto faz com que a coluna de suco seja mantida sempre

cheia e a bomba sempre afogada. Quando funcionando corretamente faz do tanque de

escorva uma redundncia e um equipamento de backup.

31

V. Dimensionamento do Sistema

O dimensionamento do sistema ser feito atravs do clculo da curva de perda de

carga do sistema. Feito isto, a mesma ser cruzada com a curva de carga da bomba atual

para verificar a possibilidade de manuteno da utilizao da bomba que encontra-se

instalada. Caso a bomba no atenda s condies impostas pela companhia ser feita a

seleo de uma bomba que atenda a estes requisitos. Tambm ser avaliado, para

qualquer que seja a bomba final, o cumprimento a norma NFPA 20, requisito legal a um

sistema deste tipo. A seguir ser feito o levantamento da tubulao, passo inicial e

fundamental a aplicao do mtodo.

V.1 Levantamento da Tubulao

Antes de iniciar o dimensionamento do sistema foi preciso fazer um levantamento da

tubulao devido dificuldade de acesso as plantas especficas deste sistema. Sendo

assim, toda a tubulao foi medida manualmente e, aps esta etapa, foram feitos desenhos

esquemticos da mesma para auxiliar no clculo da perda de carga (anexo VIII.3). Segue,

na Figura V.1, um esquema geral da tubulao em questo.

Figura V.1 Desenho da tubulao

32

V.2 Curva de Perda de Carga dos Equipamentos

As curvas de perda de carga dos equipamentos foram as primeiras curvas a serem

traadas no dimensionamento. Isto se deve ao fato do clculo da curva de perda de carga

do sistema comear pelas pontas mais extremas para facilitar o processo. Sendo assim,

ser explicitada abaixo, para cada equipamento de ponta, a forma como suas curvas foram

obtidas.

V.2.1 Curva de Perda de Carga dos Canhes Monitores Fixos

V.2.1.1 Canho Monitor Fixo (Rosca ou Flange) - Modelo MR402 (Mecnica

Reunida)

O caso do canho monitor fixo foi o mais simples, o prprio fabricante j dava a

curva de perda de carga deste equipamento. A mesma segue na Figura V.2.

Figura V.2 Grfico de perda de carga do canho monitor fixo - Kidde

A partir desta figura foi feita a digitalizao da mesma. Ou seja, foram selecionados

alguns pontos da curva e os mesmos foram interpolados no Excel. Feito isto a curva foi

33

extrapolada (pois no tinha todos os valores que eram necessrios) e passada para

unidades mtricas. A mesma segue na Figura V.3.

Figura V.3 Perda de carga do canho

A partir desta digitalizao foi obtida a equao da curva e a mesma foi utilizada

para relacionar qualquer vazo com a perda de carga deste equipamento.

V.2.1.2 Esguicho para Monitores Auto Edutores Modelo HF350

A curva de perda de carga deste esguicho que fica acoplado ao canho monitor foi

traada a partir da equao (V.1), que relaciona presso e vazo e que foi fornecida pelo

fabricante:

Q[gpm] = KP[psi] (V.1)

34

Sendo:

= 35

O resultado da plotagem desta equao no Excel foi a curva de carga da Figura V.4

(tambm passada para unidades mtricas).

Figura V.4 Perda de carga do esguicho

Apesar dos valores altssimos de perda de carga para vazes maiores, quando esta

curva combinada ao resto do sistema estes valores tornam-se insignificantes pois ela

somada ao sistema em paralelo. Isto ser explicado mais a frente.

V.2.2 Curva de Perda de Carga dos Esguichos Manuais

V.2.2.1 Proporcionadores de Linha Tipo PL

A curva de perda de carga deste proporcionador foi traada a partir da seguinte

equao, (V.2), que relaciona presso e vazo e que foi fornecida pelo fabricante:

Q[gpm] = KP[psi] (V.2)

35

Sendo:

= 8.9

O resultado da plotagem desta equao no Excel foi a seguinte a curva de carga da

Figura V.5.

Figura V.5 Perda de carga do proporcionador

Assim como na curva do esguicho, apesar dos valores altssimos de perda de carga

para vazes maiores, quando esta curva combinada ao resto do sistema estes valores

tornam-se insignificantes pois ela somada ao sistema em paralelo. Isto ser explicado

mais frente.

V.2.2.2 Esguichos Manuais Lanadores de Espuma - Modelo R350

A perda de carga deste esguicho que fica acoplado ao proporcionador no foi

fornecida pelo fabricante pois, aparentemente, os mesmos eram insignificantes mediante as

perdas do proporcionador.

36

V.3 Perda de Carga na Descarga

Aps o levantamento da curva de carga de cada equipamento de ponta, foi

calculada a curva de perda de carga em toda a descarga. O procedimento para calcular as

curvas constitui de trs etapas.

Primeiro, o sistema foi dividido em trechos, o que foi feito com o intuito de simplificar

o problema. Desta forma, a curva do sistema poderia ser calculada, em partes, das pontas

at a raiz. Segue, na Figura V.6, este modelo simplificado.

Figura V.6 Modelo simplificado do sistema

Em seguida, foi utilizado o mtodo do comprimento equivalente para "eliminar" os

equipamentos da linha e transformar o problema em algo ainda mais simples. Este mtodo

consiste em substituir, para efeito de clculo, um equipamento por uma seo reta de

tubulao (de mesmo dimetro) que, quando operada nas mesmas condies, fornece a

mesma perda de carga deste equipamento. A partir da, pode-se trabalhar com uma linha

reta sem equipamentos. As tabelas de converso utilizadas para determinar os

37

comprimentos equivalentes foram as Tabelas 1, 2 e 3, tiradas do livro (Mattos & Falco,

1998), que seguem no anexo VIII.1. No anexo VIII.6 seguem todas as tabelas que foram

utilizadas nos clculos e que detalham os equipamentos de cada trecho e seus respectivos

comprimentos equivalentes. Segue, na Tabela V.1, o comprimento equivalente de cada

trecho calculado.

Tabela V.1 Tabela com os resultados dos comprimentos equivalentes do sistema

Trecho Dimetro [in] Comprimento

Equivalente [m]

R1a 6 23,89

R1b 4 7,49

R1c 3 29,62

R2a 6 9,15

R2b 3 18,94

L1a 6 49,31

R3a 6 9,15

R3b 2,5 3,36

L2a 6 3,86

R4a 6 9,15

R4b 2,5 3,36

L3a 5 1,22

L3b 6 33,18

L3c 8 9,39

L3d 10 116,56

L3e 6 47,00

Sa 8 22,26

Sb 6 2,13

importante observar na tabela acima que os trechos explicitados no desenho do

modelo simplificado foram quebrados em sub-trechos com ndice de letras (a, b, c etc.). Isto

foi necessrio porque cada variao de dimetro configura um clculo de perda de carga e

uma curva diferente.

A terceira etapa consiste em utilizar a frmula de Darcy-Weisbach, equao (V.3),

para calcular a perda de carga de cada um destes sub-trechos.

= 0,0826 2

5 (V.3)

38

No entanto, esta frmula depende diretamente do fator de atrito f. Sendo assim, para

calcular o mesmo foi utilizada a frmula de Churchill, equao (V.4), tonando-se possvel

levantar a curva de perda de carga daquele trecho.

= 8 [(8

)

12+ ( + )1,5]

1

12 (V.4)

Sendo:

= {2,457 [1

(7

)

0,9+(0,27

)]}

16

(V.4 a)

= (37530

)

16 (V.4 b)

Nota-se, no entanto, que a frmula de Churchill depende do fator de rugosidade

. O

mesmo foi obtido a partir do baco que encontra-se no anexo VIII.2.

Uma vez que todas estas curvas de perda de carga foram levantadas, iniciou-se o

processo de combinao das mesmas, que ser detalhado a seguir.

V.3.1 Combinao das Curvas de Perda de Carga

A primeira curva de perda de carga obtida foi a do trecho R1. Para isto, as curvas de

perda de carga dos sub-trechos (R1a, R1b, R1c) foram somadas em srie para obter-se a

curva de perda de carga total de R1. Em seguida, esta curva resultante foi somada em srie

com as curvas dos equipamentos que encontram-se acoplados na mesma (neste caso, o

canho e o esguicho para canho). Para realizar a operao de soma em srie basta

somar-se os heads para vazes iguais. Por fim, soma-se o desnvel da linha a esta curva de

perda de carga obtendo a curva de perda de carga final do trecho. A tabela com os

desnveis utilizados encontra-se no anexo VIII.7. O resultado desta combinao est na

Figura V.7.

39

Figura V.7 Curva de perda de carga do trecho R1

A curva seguinte a ser calculada foi a do trecho R2. A mesma foi calculada da

mesma forma que R1. O resultado est na Figura V.8.

Figura V.8 Curva de perda de carga do trecho R2

40

Agora que estas duas curvas foram levantadas foi feita a soma delas em paralelo

pois ambas partem de um mesmo ponto. A soma em paralelo consiste em somar, para cada

head igual, as vazes. O resultado est na Figura V.9.

Figura V.9 Soma de H[R1] com H[R2] em paralelo

Se a curva de perda de carga do trecho L1 for levantada e somada em srie com a

curva resultante acima, obtemos uma nova curva de carga que fica em paralelo com a

ramificao R3. Este clculo foi feito na Figura V.10.

41

Figura V.10 Soma de (R1+R2//) com H[L1] em srie

possvel observar, agora, que a curva resultante equivale curva de perda de

carga das ramificaes dos dois canhes (R1 e R2) e do ltimo trecho de linha reta (L1)

combinadas. Ento, temos uma situao equivalente a inicial (duas curvas que dividem o

mesmo n), pois essa curva est em paralelo com a curva de perda de carga do trecho R3.

Ento, repetindo todo este procedimento feito at agora, at chegar ao primeiro n (a

bomba), obtemos uma curva de perda de carga da descarga do sistema. Isto foi feito e,

como resultado, foi obtida a seguinte curva na Figura V.11.

42

Figura V.11 Curva de perda de carga da descarga do sistema

V.4 Perda de Carga na Suco

Uma vez que a curva de perda de carga da descarga foi calculada, necessrio

calcular a curva de perda de carga da suco. No entanto, este clculo bem mais simples

pois este trecho da linha no apresenta ramificaes. O procedimento de clculo foi o

mesmo (comprimento equivalente, Darcy-Weisbach, Churchill e soma do desnvel). O

resultado deste clculo est na Figura V.12.

43

Figura V.12 Curva de perda de carga da suco do sistema

V.5 Curva do Sistema

A partir do momento que tanto a curva de carga da descarga, quanto a curva de

carga da suco foram levantadas, a soma das mesmas fornece a curva de perda de carga

do sistema. A mesma segue na Figura V.13.

Figura V.13 Curva de perda de carga do sistema

44

V.6 NPSH Disponvel

O ltimo fator a ser calculado para a tubulao de incndio o HPSH disponvel no

sistema. Este, por sua vez, ser um ponto determinante na seleo final da bomba. Vale

lembrar que a importncia do mesmo est diretamente relacionada ao fenmeno da

cavitao.

V.6.1 Clculo do NPSH Disponvel

Resolvendo a equao (III.3):



g

NPSHd = 5,23 + (101325 3225,3)

10040,34

NPSHd = 4,54 [mca]

Sendo:

Hs = 5,23 [mca] (head de suco)

Pa = 101325 [Pa] (presso atmosfrica)

Pv = 3225,3 [Pa] (presso de vapor da gua salgada 25C) (Thermophysical

properties of seawater, 2010)

= 1023,48 [kg/m3] (massa especfica da gua salgada da baa 25C)

(Thermophysical properties of seawater, 2010)

g = 9,81 [m/s2] (gravidade)

= g (peso especfico do fluido)

45

VI. Bomba Principal

Aps o trmino dos clculos do head do sistema e do NPSH disponvel possvel

encontrar o ponto de trabalho da bomba instalada atualmente.

VI.1 Ponto de Trabalho da Bomba Atual

O clculo do ponto de trabalho da bomba, caso utilizssemos a bomba atualmente

instalada nesse sistema (sistema que encontra-se em operao atualmente), como visto

anteriormente, a interseo da curva de carga do sistema com a da bomba. Sendo assim,

a partir das informaes fornecidas pelo fabricante da bomba a curva da mesma foi

digitalizada e cruzada com a curva do sistema calculada. Segue, na Figura VI.1 e na Figura

VI.2, respectivamente, a curva da bomba fornecida pelo fabricante e a curva digitalizada

para comparao.

Figura VI.1 Curva da bomba atual

46

Figura VI.2 Curva digitalizada da bomba atual

Quando esta curva digitalizada cruzada com a curva do sistema obtm-se o

resultado da Figura VI.3.

Figura VI.3 Ponto de operao do sistema atualmente em operao

O ponto de operao resultante deste dimensionamento foi o ponto com vazo de

198 [m/h] e head de 117,9 [mca]. Sendo assim, podemos observar que a bomba

47

atualmente instalada na planta no capaz de fornecer a vazo mnima total de 228 [m/h],

que a soma das vazes que a companhia deseja em cada equipamento. Devido a esta

capacidade inferior da bomba, ser proposta a utilizao de uma nova bomba pela

companhia.

VI.2 Seleo de Nova Bomba

Aps o clculo do ponto de trabalho da bomba atual e a verificao do no

cumprimento dos requisitos estabelecidos pela empresa, ser proposta uma nova bomba

para este sistema. Para selecionar a nova bomba foi feito um cadastro no site da FlowServe

e, atravs de sua ferramenta de auxlio de seleo, foi escolhida uma nova bomba para o

sistema.

A ferramenta de seleo recebe alguns dados de operao como head, vazo,

fluido, temperatura e presso de vapor do fluido e retorna algumas bombas que atendem a

estas caractersticas. Aps este passo foi feita uma triagem e selecionada a bomba mais

adequada. A bomba selecionada foi uma bomba centrfuga horizontal, bi-partida

radialmente, com impelidor fechado. Segue, no anexo VIII.5, um documento detalhando os

dados operacionais da mesma.

VI.2.1 Ponto de Trabalho da Nova Bomba

O clculo do ponto de trabalho da nova bomba (caso utilizssemos ela nesse

sistema) obtido a partir da interseo da curva de perda de carga do sistema com a da

bomba. a partir dele que ser verificado se a bomba realmente atende s condies

estabelecidas pela companhia. Sendo assim, a partir das informaes fornecidas pelo

fabricante da bomba, a curva da mesma foi digitalizada e cruzada com a curva do sistema

calculada. Segue, na Figura VI.4 e na Figura VI.5, respectivamente, a curva original

fornecida pelo fabricante e, a mesma curva, digitalizada e convertida para unidades

mtricas:

48

Figura VI.4 Curvas da nova bomba selecionada

Figura VI.5 Curva da nova bomba digitalizada

49

Quando esta curva digitalizada cruzada com a curva do sistema, obtm-se o

resultado da Figura VI.6.

Figura VI.6 Ponto de operao do sistema quando operado com a nova bomba selecionada

O ponto de operao resultante deste dimensionamento foi o ponto com vazo de

228 [m/h] e head de 147,3 [mca]. Sendo assim, podemos observar que esta bomba

capaz de fornecer a vazo total de 228 [m/h], que a soma das vazes que a companhia

deseja em cada equipamento. Pode parecer coincidncia a bomba apresentar exatamente

este valor. No entanto, importante ressaltar que esta bomba foi selecionada tomando

como base este mesmo valor em uma ferramenta automtica do fabricante. Sendo assim,

era de se esperar que a curva da bomba passasse por este ponto. A partir deste resultado

positivo deve-se verificar outros parmetros importantes para validar por total sua utilizao,

como: NPSH requerido e atendimento a NFPA 20.

VI.2.2 NPSH Requerido

De acordo com a curva de NPSH fornecida pelo fabricante da bomba selecionada o

NPSH requerido para o ponto de operao de 10 [ft] ou 3,05 [m]. Sendo assim, devemos

ter uma margem de segurana como explicado anteriormente. Ento:

50

Margem de segurana: 0.6 [mca]

NPSHd NPSHr + 0,6 [mca]

NPSHr NPSHd 0,6 [mca]

NPSHr 4,54 [mca] 0,6 [mca]

NPSHr 3,94 [mca]

Como o NPSHr informado pelo fabricante menor que o calculado acima a bomba

instalada atende ao dimensionamento feito no projeto.

VI.2.3 Requerimentos da Norma (NFPA 20)

De acordo com a norma NFPA 20 toda bomba destinada a utilizao em sistemas

de combate a incndio precisa seguir alguns requisitos referentes a sua condio de

operao.

Primeiramente, estas bombas devem ser selecionadas na faixa de operao de 90%

a 150% da sua vazo de projeto. Quando operada a mais de 150% de sua capacidade de

projeto a norma indica que a performance da bomba pode ser bastante afetada pelas

condies de suco. Quanto ao limite inferior, a norma recomenda que a bomba no seja

operada a menos de 90% de sua capacidade de projeto. Sendo assim, estas condies so

definidas por:

Qlim inferior = 90% Qprojeto = 205,2 [m3/h]

Qlim superior = 150% Qprojeto = 342 [m3/h]

A norma tambm indica que quando a bomba operada no seu limite superior ela

deve suportar um head de, no mnimo, 65% de seu Head de projeto. O ponto relacionado a

esta vazo limite superior ser chamado de segundo ponto de operao. Este requerimento

51

essencial para sistemas de combate a incndio pois ele diminui a curvatura e o caimento

da curva Head X Vazo da bomba. Isto quer dizer que a bomba passa a apresentar uma

menor queda de Head para maiores vazes. Isto muito importante pois caso a bomba no

suporte o combate ao incndio no seu ponto de operao a abertura de mais hidrantes e a

consequente maior demanda de gua no far com que o Head da bomba caia

bruscamente (o que impossibilitaria o combate). Sendo assim:

Para Qlim superior,

Hlim 65% Hprojeto = 95,7 [mca]

Ento, para a vazo de 342 [m/h] o Head da bomba deve ser maior que 95,7 [mca].

A norma tambm indica que o ponto de shutoff da bomba no deve exceder 140%

do head de projeto. Sendo assim:

Hshutoff 140% Hprojeto = 206,2 [mca]

A partir da determinao destes limites e requisitos necessrio verificar se a

bomba selecionada os atende. Segue, na Tabela VI.1, a verificao dos valores calculados

a partir da norma NFPA 20.

52

Tabela VI.1 Verificao dos requisitos da NFPA 20 para a nova bomba

Requisito Nova Bomba

Q

[m/h]

[mca]

Q

[m/h]

[mca]

Requisito da Companhia

(para o ponto de operao) 228 NA 228 NA

Requisito NFPA 20

(para o limite superior) 342 95,7 342 134,1

Requisito NFPA 20

(para o shutoff) 0 206,2 0 158,5

Como a nova bomba selecionada atende a todos estes limites e requisitos, sua

utilizao permanece validada. Sendo assim, a bomba instalada pode ser utilizada nas

condies dimensionadas neste projeto.

53

VII. Concluso

Ao final deste projeto pode-se concluir que a bomba utilizada no sistema de combate

a incndio existente atualmente na planta industrial estudada no uma bomba que atende

aos requisitos mnimos estipulados pela companhia. Ou seja, ao recalcular a bomba

necessria para o funcionamento do sistema foi observado que a curva da bomba atual no

capaz de operar nas condies de vazo definidas pela companhia.

A partir deste resultado negativo foi selecionada uma bomba que atende a estes

requisitos da empresa. Tambm foi verificado para esta nova bomba o cumprimento da

norma NPFA e calculado seu NPSH requerido e o NPSH disponvel no sistema para

garantir a possibilidade de sua utilizao. Todos os resultados obtidos foram positivos

quanto a nova bomba.

Por fim, vale a pena citar a possibilidade de aprofundamento neste projeto no futuro.

Duas sugestes importantes so: um estudo de custo para correo deste sistema e

instalao desta nova bomba selecionada e um estudo para verificar a vazo e alcance

finais de cada canho monitor fixo e esguicho manual. Este ltimo, por sua vez, validaria o

poder de combate do sistema.

54

VIII. Anexos

VIII.1 Tabelas de Consulta de Comprimentos

Equivalentes

Tabelas utilizadas para consulta aos comprimentos equivalentes utilizados nos

clculos das perdas de carga no sistema.

VIII.1.1 Redues e ampliaes de dimetro

Tabela VIII.1 Comprimento Equivalente - Redues e ampliaes de dimetro (Mattos & Falco, 1998)

55

VIII.1.2 Vlvulas

Tabela VIII.2 Comprimento Equivalente Vlvulas (Mattos & Falco, 1998)

56

VIII.1.3 Joelhos, curvas e Ts

Tabela VIII.3 Comprimento Equivalente - Joelhos, curvas e T's (Mattos & Falco, 1998)

57

VIII.2 Grfico de Rugosidade Relativa

Figura VIII.1 baco de rugosidade relativa de tubulao (Mattos & Falco, 1998)

58

VIII.3 Desenhos esquemticos do sistema

VIII.3.1 Tubulao de Suco

Figura VIII.2 Esquema geral da tubulao de suco (cotas em metros)

59

VIII.3.2 Esquema geral da descarga

Figura VIII.3 Esquema geral da tubulao de descarga (cotas em metros)

60

VIII.3.3 Detalhe na regio prxima a bomba na descarga

Figura VIII.4 Esquema da tubulao de descarga - prximo bomba (cotas em metros)

61

VIII.3.4 Detalhe na regio prxima a curva principal

Figura VIII.5 Esquema da tubulao de descarga - prximo curva principal (cotas em metros)

62

VIII.3.5 Detalhe na regio prxima aos esguichos manuais

Figura VIII.6 Esquema da tubulao de descarga - prximo aos esguichos manuais (cotas em metros)

63

VIII.3.6 Detalhe na regio prxima aos canhes

Figura VIII.7 Esquema da tubulao de descarga - prximo aos canhes (cotas em metros)

64

VIII.4 Curvas da bomba atual

Figura VIII.8 Documento da curva atual

65

VIII.5 Curvas da nova bomba

Figura VIII.9 Documento da nova bomba

66

VIII.6 Tabelas de clculo de comprimento

equivalente

VIII.6.1 Trecho S

Tabela VIII.4 Detalhamento do trecho S

Item Diametro [pol] Comp. / Comp. Eq. [m]

Linha 8 4

Joelho Raio Longo 8 4,27

Linha 8 2,779

Vlvula Gaveta 8 2,74

Linha 8 0,26

Bifurcao / Direto 8 4,27

Linha 8 1,1

Vlvula Gaveta 8 2,74

Linha 8 0,098

Reduo 6 2,13

VIII.6.2 Trecho R1

Tabela VIII.5 Detalhamento do trecho R1



Linha 6 4,35


Linha 6 2

Joelho Raio Longo 45 6 1,525

Linha 6 1,72


Linha 6 2,56


Linha 6 1,06

Reduo 4 1,22

Linha 4 5,2


Reduo 3 0,91

Linha 3 3,44


Linha 3 1,84


Linha 3 0,98


Linha 3 1,55


Linha 3 1,83


Linha 3 12,23

67

VIII.6.3 Trecho R2



Bifurcao / Ramal 6 9,15

Reduo Brusca 3 1,52

Linha 3 0,77


Linha 3 15,13

VIII.6.4 Trecho R3




Reduo Brusca 2,5 1,52

Linha 2,5 1

Vlv. Gaveta 2,5 0,84

VIII.6.5 Trecho R4




Reduo Brusca 2,5 1,52

Linha 2,5 1

Vlv. Gaveta 2,5 0,84

VIII.6.6 Trecho L1

Tabela VIII.9 Detalhamento do trecho L1



Linha 6 3,75


Linha 6 4,51


Linha 6 15,75


Linha 6 13,1

68

VIII.6.7 Trecho L2




Linha 6 0,81

VIII.6.8 Trecho L3



Ampliao 5 1,22

Linha 6 0,125

Junta Flexvel 6 1,98

Vlv. de Reteno 6 22,87

Linha 6 0,312

Vlv. Gaveta 6 1,98

Linha 6 0,378


Linha 6 0,353

Ampliao 6 2,13

Linha 8 1


Linha 8 2,292

Ampliao 8 1,83


Linha 10 64,725


Linha 10 16,47


Reduo Brusca 6 2,9

Linha 6 1,35


Linha 6 1,65


Linha 6 1,42


Linha 6 0,6

Vlv. Gaveta 6 1,98

Linha 6 11,77


Linha 6 13,13

69

VIII.7 Tabela de desnveis de cada trecho

Tabela VIII.12 Desnveis de cada trecho

Trecho Z [mca]

R1 0,98

R2 0,77

R3 0

R4 0

L3 -0,07

S 3,7

70

IX. Referncias

Bloch, H. P., & Budris, A. R. (1933). Pump Users Handbook - Life Extension. Fairmont

Press.

Damasgate. (Novembro de 2013). Fonte: http://fx.damasgate.com/centrifugal-pumps/

DEC UFCG. (Novembro de 2013). Fonte:

http://www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/Bomb01.html

Escola da Vida. (Novembro de 2013). Fonte:

http://www.escoladavida.eng.br/mecfluquimica/aulasfei/ccb.htm

Karassik, I. (2000). Pump Handbook (3 ed.). McGraw-Hill.

Lima, E. C. (Novembro de 2006). QUALIDADE DE GUA DA BAA DE GUANABARA E

SANEAMENTO: UMA ABORDAGEM SISTMICA. Rio de Janeiro.

Mattos, E. E., & Falco, R. d. (1998). Bombas Industriais (2 ed.). Rio de Janeiro:

Intercincia.

NETFIER. (Novembro de 2013). Fonte: http://www.netfier.com.br/sistemas.htm

OMEL. (Novembro de 2013). Fonte:

http://omel.com.br/BR/escola__bombas_curvas_de_desempenho.php

Pump Fundamentals. (Novembro de 2013). Fonte:

http://www.pumpfundamentals.com/pump_glossary.htm

Thermophysical properties of seawater. (Maro de 2010). Fonte:

http://web.mit.edu/seawater/Seawater_Property_Tables.pdf

Turton, R. K. (1995). Principles of Turbomachinery (2 ed.).

re-dimensionamento de uma bomba centrífuga para o sistema de incendio.pdf

Documents

Transcript of re-dimensionamento de uma bomba centrífuga para o sistema de incendio.pdf