artigo tcnico

Projeto bsico de salas limpas Parte 3autor: Eng. J. Fernando B. Britto, engenheiro mecnico, scio da Adriferco Engenharia, secretrio do GEC-4 e membro do conselho editorial da Revista da SBCC contato: adriferco@gmail.com

J. Fernando B. Britto

5.3. Equipamentos e pontos de consumo Durante o dimensionamento e detalhamento dos sistemas, o projetista sempre deve ter em mente as seguintes premissas: Economia: manter os equipamentos geradores e consumidores das utilidades o mais prximo possvel uns dos outros. Isto reduz os custos com a implantao das redes, alm de reduzir os consumos originados pelo transporte (escoamento / bombeamento) das utilidades ao longo das redes. Pontos de Medio Adequados: diversos instrumentos requerem trechos retilneos montante e jusante para permitir a estabilizao do escoamento e sua correta medio. Exemplo: Pitot, Venturi, placas de orifcio, rotmetros, etc. Acesso: Prever espao adequado para manuteno e regulagens do sistema. Caso no seja possvel acessar os pontos do sistema que requerem intervenes (ajustes ou substituio de componentes), a integridade do sistema ser comprometida em um curto perodo de tempo, no sendo possvel manter ou restabelecer suas condies operacionais de projeto. Muitas vezes, embora tenha sido previsto espao para manuteno, seu acesso dificultado pela posi-

o de execuo dos trabalhos (agachado, s vezes no meio de utilidades perigosas) ou pelos esforos envolvidos nos trabalhos (iamento de componentes pesados, necessidade de torques elevados), requerendo a remoo (total ou parcial) do equipamento ou

Figura 31a Rotor tipo Sirocco DN 450mm

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componente para locais que permitam sua manuteno adequada. Ergonomia e segurana ocupacional: deve ser avaliada a posio de operao, tipo de atividade, cargas de trabalho, alm do perodo de exposio a rudos elevados, temperatura (alta ou baixa), umidade (alta ou baixa), particulado (alto), riscos qumicos e biolgicos, alm de outros fatores ambientais que possam afetar a integridade fsica dos operadores e mantenedores dos sistemas. Atualmente vrios destes requisitos so regulados por meio de normas e regulamentaes trabalhistas especficas. Identificaes, bloqueio e travamento: todos os equipamentos, bem como as redes de utilidades a eles conectadas, devem possuir identificaes e dispositivos de bloqueio e travamento, de forma a permitir sua operao e manuteno adequadas e seguras. 5.3.1. Moto-Ventiladores Critrios de Seleo Durante o selecionamento dos ventiladores, deve ser escolhido o rotor adequado ao tipo de operao, alm de avaliado o seu rendimento mecnico, de forma a minimizar o consumo e, consequentemente, o custo total de

propriedade do equipamento, conforme verificamos na figura 31a, 31b e 31c. Comparando-se as curvas, verificamos que, embora os trs tipos de rotores possuam o mesmo dimetro e admitam uma mesma vazo, o rotor Sirocco s permite operar com baixas presses. Ao compararmos os rotores Limit Load e Air Foil, verificamos que, embora este ltimo seja na realidade uma variante do tipo Limit Load, a verso original do rotor admite operar com presses ligeiramente maiores ao passo que sua variante fornece melhor desempenho (rendimento mecnico) quando operando nas mesmas condies. Exemplificando, se desejssemos operar um sistema com vazo de 12000 m/h e presso de 180 mmca, verificaramos que no seria possvel obter uma seleo adequada com rotores do tipo Sirocco. Se escolhssemos um rotor do tipo Limit Load, teramos um rendimento de ~78% e absorveria uma potncia de ~13,0 cv, ao passo que um rotor Air Foil teria um rendimento de ~86%. e absorveria uma potncia de ~11,5 cv. Embora o preo de aquisio do moto ventilador com rotor Limit Load possa ser consideravelmente menor, a diferena de potncia (e consumo) implicaria em

Figura 31b Rotor tipo Limit Load DN 450mm

Figura 31c Rotor tipo Air Foil DN 450mm

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artigo tcnicocomponentes eltricos (chaves, protees, inversores, cabeamento, etc.) maiores, o que reduziria a diferena total do preo de aquisio e, alm disso, a diferena de consumo poderia reverter rapidamente a diferena no investimento inicial em custo de produo, afetando o custo total de propriedade do equipamento. To importante quanto a avaliao das caractersticas de desempenho do equipamento a avaliao dos limites operacionais do equipamento, os quais devem ser compatveis com a aplicao. Devem ser verificadas a rotao e a potncia absorvida (BHP) mximos para o rotor escolhido, pois, ao longo da vida til do equipamento, pode ser necessrio alterar sua rotao (s vezes isso acontece logo durante sua partida), sendo necessrio verificar se a seleo no se encontra muito prximo do limite de classe construtiva recomendada pelo fabricante ou se a potncia especificada permitir futuros aumentos da rotao. Cabe lembrar que, segundo a Lei das Bombas e dos Ventiladores: 5.3.2.1. Influncia da Variao do tipo e condies Q1 Q0 = n1 n0 dP1 dP0 = n1 n02

local, obrigatoriamente ser necessria a correo da rotao em campo. E, como vimos anteriormente, j que a relao de potncias varia ao cubo da relao de rotaes, uma pequena diferena de 1% a 3% na rotao ir levar a um aumento de 3,0% a 9,3% na potncia. 5.3.2. Motobombas Critrios de Seleo Durante o selecionamento das bombas, deve ser avaliada sua curva Presso x Vazo, de forma a minimizar o consumo e, consequentemente, o custo total de propriedade do equipamento. Durante o selecionamento deve ser ajustada a curva caracterstica da bomba (CCB) em funo da densidade e viscosidade do fluido bombeado (conforme ANSI/HI 1.3), alm de verificada sua temperatura de operao. Tambm devem ser verificados o NPSHREQ (Net Pression Suction Head Required), a rotao e o rendimento mecnico, alm de serem definidos os tipos de acoplamento, vedao e base da motobomba.

N1 N0

=

n1 n0

3

do fluido As curvas de seleo para bombas hidrulicas so elaboradas por meio de experimentao, sendo adotado um fluido padro (geralmente: gua limpa) para sua determinao. Uma vez que no seria economicamente vivel elaborar curvas caractersticas para cada tipo de fluido, necessrio efetuar correes nas curvas em funo das caractersticas e condies do fluido que efetivamente ser utilizado no bombeamento. A metodologia para efetuar estas correes encontra-se descrita na norma ANSI/HI 1.3 e leva em considerao as seguintes variveis e efeitos: Densidade: altera a presso ou altura manomtrica na descarga da bomba, afetando tambm sua potncia absorvida (BHP), de forma diretamente proporcional. Temperatura: afeta o NPSHA (Net Pression Suction Head Available) na entrada da bomba, devido mudana da presso parcial de vapor do fluido. Quanto maior a temperatura, mais prximo de sua curva de saturao do vapor. Viscosidade: afeta o formato da curva caracterstica da bomba em funo de sua vazo e altura manomtrica operando com fluido padro.

Onde: n: rotao Q: vazo dP: diferencial de presso N: potncia absorvida 5.3.1.1. Fatores de converso Especial cuidado deve ser dado durante a aplicao de fatores de converso, para se evitar o subdimensionamento dos equipamentos: 1 mmH2O = 9,8065 Pa 1mmHg = 133,3224 Pa Sabemos que a presso atmosfrica total afeta a densidade do fluido e, por conseguinte, a presso esttica disponvel no ventilador. Sendo a condio do ar padro referida altitude zero (nvel do mar), qualquer elevao na altitude de operao implicar na necessidade de aumento da rotao do ventilador, de forma a se obter a mesma presso esttica disponvel. Ento, aplicando-se incorretamente os fatores de arredondamento na converso da presso esttica (10 ao invs de 9,8065) requerida e na presso atmosfrica

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Figura 32a Grfico de correo de desempenho para moto-bombas com vazo de 2 a 20 m/h. (conforme ANSI/HI 1.3) Os grficos das figuras 32a e 32b permitem efetuar a correo das curvas das bombas em funo de sua viscosidade. 5.3.2.2. Cavitao Cavitao um fenmeno fsico caracterizado pela vaporizao de um lquido em movimento causada pela reduo de sua presso total. Ela ocorre nas bombas centrfugas devido ao seu prprio princpio de funcionamento, o qual utiliza um corpo girante formado por um conjunto de ps dispostas radialmente em relao ao eixo de rotao (rotor), para imprimir foras centrfugas e tangenciais ao fludo. Isto produz no lquido um diferencial de presso entre o eixo (suco) e a extremidade do rotor (causado pela fora centrfuga), amplificado at sua efetiva descarga (pelas foras tangenciais). Entretanto, o acrscimo de energia introduzido pela movimentao do fludo a altas velocidades no interior da bomba, cria tambm uma zona de baixa presso imediatamente atrs das ps do rotor, a qual, se atingir um valor igual ou inferior ao da presso de saturao de vapor do fluido, causa a formao de bolhas de vapor no interior do fluxo, as quais explodem de encontro ao

Figura 32b Grfico de correo de desempenho para moto-bombas com vazo de 20 a 2000 m/h (conforme ANSI/HI 1.3)

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artigo tcnicorotor, causando vibraes, rudo elevado e eroso no rotor da bomba. A forma de se evitar a cavitao nas bombas garantir que o NPSHA (disponvel) seja maior que o NPSHREQ (requerido) informado pelo fabricante da bomba. O valor do NPSHA dado pela equao: NPSHA = Patm PV lquido + hest hperdas 5.3.2.3. Efeito da variao da rotao e do dimetro do rotor sobre a curva caracterstica da bomba Segundo as Leis da Afinidade das Bombas em relao aos Sistemas (Lei das Bombas, que a mesma aplicada aos ventiladores), as variveis associadas bomba iro variar da seguinte forma: no ponto de sua conexo exceda a presso exercida por sua coluna de lquido.

hperdas =

8 x f x Leq x Q 2 2 x D5 x g Function

Pump Affinity LawsSpeed Change Q2 = Q1 N2 N1 P2 = P1 N2 N1 P2 = P1 N2 N12

Impeller Diameter Change Q2 = Q1 D2 D1 P2 = P1 D2 D1 P2 = P1 D2 D12

Onde: NPSHA: Presso esttica positiva disponvel na suco [m] Patm: Presso atmosfrica local [Pa] pv: Presso parcial de vapor do lquido [Pa] Tabelado lquido: Peso especfico do lquido [N] Tabelado hest: Altura manomtrica da coluna esttica de lquido [m] hperdas: Altura manomtrica equivalente perda de carga esttica [m] f: Fator de frico (diagrama de Moody-House) [adimensional] Leq: Comprimento equivalente da tubulao [m] Q: Vazo volumtrica do lquido [m/s] D: Dimetro interno da tubulao [m] G: Acelerao da gravidade [adotado: 9,8065 m/s] Nota Embora a cavitao tambm possa ocorrer em sistemas fechados (onde todos os pontos da rede se encontram teoricamente selados em relao presso atmosfrica), esta pode ocorrer devido ao entupimento de filtros ou fechamento de vlvulas montante da bomba ou, ento, falta de gua no sistema. Para evitar estes problemas, recomenda-se a instalao de filtros apenas aps as bombas, evitando a perda de carga adicional acarretada pelo dispositivo. Alm disso, o tanque de expanso e reposio de fludo deve ser conectado diretamente suco da bomba, o que tambm evitar problemas de transbordamento do reservatrio, caso a presso da linha

Flow Pressure Power

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3

Figura 33 Lei de afinidade das bombasFonte: 2008 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment

Estas equaes se encontram reproduzidas em forma de curvas de correo, conforme o grfico da figura 34.

Figura 34 Potncia, vazo e presso das bombas em funo de sua rotaoFonte: 2008 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment

5.3.2.4. Exemplo de seleo de motobombas Observemos as selees efetuadas nas curvas das bombas representadas pelas figuras 35a e 35b.

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Figura 35a Rotor DN 50-315 (@1750 rpm)

Figura 35b Rotor DN 40-200 (@3500 rpm)

artigo tcnicoEm ambos os casos, as motobombas foram selecionadas com vazo de 50 m/h e altura manomtrica de 45 m. No caso da figura 35a, foi selecionado um rotor DN 50-315, operando a 1750 rpm, usinado com dimetro de 310mm, produzindo um rendimento de ~61%, o que requer uma potncia de 13,8 cv na ponta de seu eixo e um NPSHREQ de ~2,2m. Na figura 35b, foi selecionado um rotor DN 40-200, operando a 3500 rpm, usinado com dimetro de 160mm, produzindo um rendimento de ~71%, o que requer uma potncia de 11,8 cv na ponta de seu eixo e um NPSHREQ de ~2,6m. Certamente, a seleo com maior rotao ir produzir um rudo tambm maior, o que seria problema em uma instalao no-abrigada onde se deseja minimizar o nvel de rudo. Contudo, se as motobombas forem instaladas em salas de mquinas, juntamente com outros equipamentos to ou mais ruidosos que as motobombas, como, por exemplo, os chillers, no h sentido em se limitar a rotao para controlar o rudo, permitindo a adoo da bomba de melhor rendimento mecnico. 5.3.2.5. Associao de Motobombas em Paralelo e em Srie Conforme podemos verificar no grfico da figura 36, quando associamos bombas idnticas em paralelo, ocorre a somatria das vazes individuais de cada bomba. Isso significa que, a curva da associao em paralelo obtida dobrando-se a distncia horizontal (vazo) encontrada para cada ponto da CCB, sendo mantida a distncia vertical (altura manomtrica) de ambos os pontos. Em outras palavras, a vazo de cada ponto da CCB multiplicada pelo nmero de bombas associadas em paralelo, sendo mantida a altura manomtrica observada para o ponto original. No entanto, isto no significa que em um sistema existente, a vazo ser diretamente proporcional ao nmero de bombas ativas a cada instante. Na verdade, como cada aumento da vazo acarreta um aumento correspondente na altura manomtrica do sistema, a vazo obtida a cada instante ser dada pelo ponto de funcionamento originado pelo cruzamento da CCBPARALELO com a CCI (curva caracterstica da instalao). Em sistemas convencionais, operando com fluidos newtonianos e descontados os efeitos das vlvulas de controle (todas 100% abertas), a CCI possuir uma curva caracterstica dada por uma equao do tipo H = K * Q. J as CCBs, nas mesmas condies, costumam ter uma equao do tipo H = hEST K * Q. A associao de bombas em paralelo geralmente empregada quando se deseja ampliar a vazo total de sistemas com baixa perda de carga associada. Quando a perda de carga de um sistema muito grande, adota-se a associao de bombas em srie, na

Figura 36 Associao de bombas em paralelo

Figura 37 Associao de bombas em srie

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qual ocorre a somatria das presses individuais de cada bomba, conforme representado no grfico da figura 37. De forma similar ao que ocorre na associao em paralelo, a curva da associao de bombas idnticas em srie obtida dobrando-se a distncia vertical (altura manomtrica) encontrada para cada ponto da CCB, sendo mantida a distncia horizontal (vazo) de ambos os pontos. Em outras palavras, a altura manomtrica de cada ponto da CCB multiplicada pelo nmero de bombas associadas em srie, sendo mantida a vazo observada para o ponto original. A associao de bombas em srie geralmente empregada quando se deseja ampliar a altura manomtrica total de sistemas com alta perda de carga associada. E, tal como na associao em paralelo, na associao em srie o aumento da presso total disponibilizado pela associao em paralelo ser dado pelo cruzamento das curvas CCI e CCBSRIE. Nota: Tal como no caso da Lei das Bombas, os Ventila-

dores seguem exatamente os mesmos princpios no caso das associaes em paralelo e em srie. 5.3.3. Resfriadores de Lquidos Os resfriadores de lquidos, tambm conhecidos por sua designao em ingls: chillers, so conjuntos de equipamentos e dispositivos interligados (representados na figura 38), responsveis pelo resfriamento de gua (ou outro fluido trmico) utilizado no processo ou pelo sistema de tratamento de ar. Para sua aquisio necessrio especificar seus componentes principais, tais como: compressores, condensadores e resfriadores, alm do fludo refrigerante, do fluido resfriado, bem como seus dispositivos de acionamento e de controle de capacidade. O projetista dever comparar: Consumo Peso Rudo Vibraes Vazo e diferencial de temperatura (capacidade)

Grade de Seminrios SBCC 2012DATA 29 Mar 25 a 26 Abr 17 Mai 27 a 28 Jun 29 a 30 Ago 27 Set 24 a 25 Out 8 Nov TEMA - TTULO INTRODUO TECNOLOGIA DE REAS LIMPAS Uma viso geral das disciplinas, conceitos e tecnologias associadas. PROJETO DE REAS LIMPAS Do projeto ao inicio da operao, aspectos conceituais e estudos de caso. MANUTENO EM REAS LIMPAS Boas prticas de controle de contaminao associadas aos trabalhos de manuteno. ENSAIOS EM REAS LIMPAS Procedimentos, baseados na NBR ISO 14644-3, como parte do processo de comissionamento e qualificao. MICROBIOLOGIA Aspectos relevantes da contaminao microbiana. EQUIPAMENTOS DE AR LIMPO OU OPERAO DA SALA LIMPA Aspectos da seleo, manuteno e ensaio de equipamentos autonomos./ OPERAO SL. CONTROLE DE INFECO EM SERVIOS DE ASSISTENCIA A SADE (EAS) O controle de infeco e a engenharia a servio da segurana do ambiente. MICROBIOLOGIA Aspectos relevantes da contaminao microbiana. MDULO LOCAL SO PAULO SO PAULO SO PAULO SO PAULO SO PAULO SO PAULO SO PAULO PARAN

artigo tcnico

Figura 40 Compressor tipo scrollFonte: Damfoss

Figura 38 Diagrama representando um chiller com condensao guaSUCTION SEAL-OFF

A

E

5.3.3.1. Compressores: Tipos e caractersticas de seu controle de capacidade Unidades resfriadoras de lquido de pequeno porte costumam utilizar os mesmos tipos de compressores empregados nos equipamentos de expanso direta. Atualmente, a tecnologia de compresso mais empregada em unidades de pequeno porte so os compressores do tipo recproco (pistes, figura 39) e do tipo scroll (espiral rotativa, figuras 40 e 41). O controle de capacidade destes equipamentos geralmente realizado pelos intervalos de acionamento e desligamento dos compressores existentes em cada ciclo frigorgeno. J nas unidades de mdio porte, atualmente se utilizam compressores do tipo parafuso (figuras 42 e 43) ou doDISCHARGE

B

F

C

G

D

H

Figura 41 Processo de compresso em rotor do tipo scrollFonte: ASHRAE - 2000 HVAC Systems and Equipments Handbook

Figura 39 Compressor tipo recprocoFonte: Manual de Aire Acondicionado Carrier

Figura 42 Compressor tipo parafusoFonte: ASHRAE - 2000 HVAC Systems and Equipments Handbook

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INLET PORT

INLET PORT

INLET PORT

MALE ROTOR

FEMALE ROTOR

DISCHARGE PORT

DISCHARGE PORT

DISCHARGE PORT

INTAkE

COMPRESSION

DISCHARGE

Figura 43 Processo de compresso em rotor do tipo parafusoFonte: ASHRAE - 2000 HVAC Systems and Equipments Handbook

VANELESS DIFFUSER RETURN CHANNEL LAByRINTH SEAL IMPELLER

DISCHARGE VOLUTE

Figura 44 Compressor tipo centrfugoFonte: ASHRAE - 2000 HVAC Systems and Equipments Handbook

INLET GUIDE VANES

THRUST BEARING

HERMETIC MOTOR

SHAFT SEAL

BALANCING PISTON JOURNAL BEARING

Figura 45 Vista do inlet guide vane de um compressor tipo centrfugoFonte: Manual de Aire Acondicionado Carrier

tipo centrfugo (figuras 44 e 45) e nas unidades de grande porte geralmente se adotam compressores centrfugos. No caso dos compressores parafuso, o controle de capacidade pode ser efetuado por dispositivos que alteram as dimenses de suas cmaras de compresso, aproximando ou afastando as camisas do corpo girante e/ou variando sua rotao. Nos compressores centrfugos, o controle de capacidade pode ser efetuado por reguladores motorizados chamados inlet guide vanes na suco do compressor e/ou variando sua rotao. Ao serem especificados os compressores devem ser verificados os seguintes itens:

Deslocamento volumtrico Condio de entrada do fluido Condio de sada do fluido Controle de capacidade Deve-se evitar: Ciclagem excessiva

Capacidade frigorgena & Potncia consumida Queima do motor

Alta temperatura de descarga Danos s vlvulas Taxa de compresso elevada Temperatura de descarga elevada Falta de Superaquecimento Retorno de lquido no compressorA ltima parte deste artigo ser publicada na prxima edio

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