O conhecimento de um sistema de bombeamento genérico, com seus componentes básicos e as respectivas condições operacionais, pode facilitar a caracterização de um sistema real [21]. A Figura 2.4 representa um sistema típico de bombeamento de água, com seus principais componentes. A definição sintetizada dos componentes que formam o sistema está relacionada a seguir.
Sistema de captação – Pode ser o leito de um rio, um reservatório artificial ou não, ou um poço artesiano. Normalmente não consome energia, mas, dependendo da posição em que se encontrar e de suas características, pode afetar o consumo do sistema.
Sistema de bombeamento – Pode ser composto por uma bomba ou um conjunto de bombas. Esse é o componente do sistema responsável pelo maior consumo de energia elétrica do conjunto.
Sistema de tratamento – É o local onde a água bruta é tratada, tornando-a adequada para o consumo. Nele estão localizados sistemas de mistura, limpeza, laboratórios e instalações administrativas que possuem equipamentos de consumo de energia. Além desses equipamentos as bombas de água tratada podem estar localizadas nesse sistema.
Sistema de armazenagem – Consiste em reservatórios usados para regularizar o Abastecimento de água. Conforme seu dimensionamento auxilia na redução do consumo de energia em horários cujo consumo seja mais caro (horário de ponta); isto é, reduz o custo total da energia.
Sistema de distribuição – Formado por adutoras que interligam os sistemas de captação. São formadas por tubos, válvulas, conexões e outros acessórios, não envolve consumo de energia, mas seu acabamento interno, posicionamento, comprimento, diâmetro e obstruções presentes influem decisivamente no dimensionamento dos sistemas de bombeamento.
Uso final – Representa o conjunto de equipamentos consumidores de água: torneiras, tanques, chuveiros, bacias sanitárias, lavadores. A sua demanda por água é que determina o dimensionamento de todo o sistema de abastecimento e o consumo de energia.
Figura 2.4 – Sistema de abastecimento de água e seus principais componentes
2.5.1 - Principais componentes de um sistema de bombeamento
O sistema de bombeamento é o principal consumidor de energia elétrica de um sistema de abastecimento de água. O seu perfeito funcionamento irá influenciar na eficiência energética do conjunto. A Figura 2.5 mostra um sistema de bombeamento e seus principais componentes.
Onde:
1- Casa de Bombas;
M – Motor de acionamento; B – Bomba;
2 – Poço (fonte);
VPC - Válvula de pé com crivo; CL - Curva de 90º; 3 – Linha de Sucção; RE - Redução Excêntrica; VR - Válvula de retenção; R – Registro; C – Joelhos; 4 - Linha de Recalque; 5 – Reservatório.
Figura 2.5 – Sistema de bombeamento e seus componentes
2.5.2 - Bomba hidráulica
O bombeamento pode ser definido como o efeito de adicionar energia a um fluído a fim movê-la de um ponto, a outro. Como energia é a capacidade de produzir trabalho, adicioná-la a um fluido permite que o mesmo execute um trabalho, ou seja, fluindo através de uma tubulação ou atingindo um ponto com a cota mais elevada [22].
As bombas centrífugas são as mais utilizadas nos sistemas industriais. Elas podem ser classificadas das seguintes formas:
i) De acordo com o posicionamento do eixo
a) Bomba de eixo horizontal: é a mais versátil e utilizada nas mais diversas utilidades.
b) Bomba de eixo vertical: utilizadas, onde o espaço para instalação é reduzido, por exemplo, em poços subterrâneos profundos.
ii) Quanto à trajetória do fluido
a) Bombas radiais ou centrífugas: trabalham com pequenas vazões a grandes alturas, com predominância de força centrífuga, são as mais utilizadas atualmente; b) Bombas axiais: trabalham com grandes vazões a pequenas alturas;
c) Bombas diagonais ou de fluxo misto: é uma combinação das duas anteriores, caracterizam-se por trabalhar com médias vazões a médias alturas.
iii) Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água
a) Bomba de sucção positiva: quando o eixo da bomba situa-se acima do nível do reservatório.
b) Bomba de sucção negativa ("afogada"): quando o eixo da bomba situa-se abaixo do nível do reservatório.
2.5.3 - Curvas características ou de desempenho da bomba centrífuga
As bombas centrífugas operando a uma determinada velocidade (rotação) constante têm a capacidade de produzir vazões, desde zero, até um valor máximo, tendo como dependência o projeto da bomba, suas dimensões e condições de sucção. A capacidade total (”Head” H) desenvolvida pela bomba, a potência requerida para acioná-la (P) e o rendimento resultante (η) variam em função da capacidade. As relações entre P, Q, H e η são conhecidas como curvas características das bombas. Essas curvas são levantadas em laboratório e disponibilizadas geralmente através de catálogos.
As curvas tradicionais fornecidas pelos fabricantes são três: curva de carga x vazão, curva de potência absorvida x vazão e curva de rendimento x vazão. A carga da bomba (H) é a energia por unidade de peso que a bomba é capaz de fornecer ao liquido bombeado. A sua unidade geralmente é o metro de coluna de água. A vazão é o volume de líquido bombeado por unidade de tempo. Em termos de potência, devem ser considerados dois tipos: a potência cedida ao líquido e a potência mecânica absorvida pela bomba centrifuga.
a) Potência cedida ao líquido (Pc)
A potência cedida ao líquido é determinada tomando-se como base a equação: Pc (cv) = 75 . . HQ γ (2.3) Onde:
Pc – Potência cedida ao líquido, unidade cavalo vapor (cv) H – carga da bomba, unidade metro (mca)
Q – Vazão, unidade metro cúbico por segundo (m3/s)
γ - Peso específico do líquido, quilograma-força por metro cúbico (kgf/m3)
b) Potência mecânica absorvida pela bomba (Pm)
A potência mecânica absorvida pela bomba centrifuga é calculada pela expressão (2.4). Pm = 736 . cos . . . 3IV φηm (cv) (2.4) Onde:
Pm – Potência mecânica, unidade cavalo vapor (cv) V – tensão de linha, unidade volt (V)
I – corrente elétrica de linha, unidade àmpere (A) cosφ – fator de potência
ηm – rendimento do motor elétrico.
c) Curva carga (H) versus vazão (Q)
Para representar à curva H = f (Q) a equação geral da bomba centrífuga (2.5) é utilizada. As curvas obtidas apresentam vários comportamentos e, recebem denominações em função de suas inclinações. Assim encontram-se curva inclinada, curva ascendente-descendente, curva altamente descendente e curva plana.
A equação geral da bomba centrifuga pode ser demonstrada através da equação (2.5):
H = An2 + BnQ + CQ2 (2.5)
Onde:
Q - vazão [m3/h];
H - carga hidráulica de pressão [m]; n – rotação da bomba
A, B e C - constantes equacionais.
Figura 2.6 – Tipos de curva H x Q
d) Curva rendimento (η) versus vazão (Q)
O rendimento da bomba é por definição a razão entre a potência útil cedida ao líquido e a potência absorvida pela bomba. As bombas centrífugas de pequena potência apresentam rendimento máximo da ordem de 68%. Entretanto bombas centrífugas com rotações específicas maiores e vazões maiores chegam a atingir rendimento de 90% [5]. Para cada bomba existe uma vazão para qual o rendimento é máximo. A Figura 2.7 mostra as características da curva η x Q.
e) Curva potência mecânica (Pm) versus vazão (Q)
Para uma vazão nula, a potência hidráulica aplicada ao fluido é zero, sendo assim uma potência mínima é necessária para manter a rotação da bomba. Portanto é a condição de menor exigência de potência do motor elétrico. Essa situação é obtida com a válvula fechada na saída da bomba. Essa operação reduz o tempo de duração da corrente de partida do motor, consequentemente aumenta a sua vida útil. Entretanto a energia fornecida pelo motor ao fluído é transformada em calor. O funcionamento por longo tempo com vazão zero (válvula fechada) pode causar sobreaquecimento do fluído e provocar problemas na bomba. A Figura 2.8 representa a potência mecânica (Pm) em função da vazão (Q).
Figura 2.8 – Curva Pm x Q