re-dimensionamento de uma bomba centrífuga para o sistema de

RE-DIMENSIONAMENTO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA PARA O SISTEMA

DE COMBATE A INCÊNDIO DE UMA PLANTA INDUSTRIAL

Matheus Donadio Gonçalves

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.

Orientador: Gustavo César Rachid Bodstein, Ph.D.

Rio de Janeiro

Fevereiro 2014

II

RE-DIMENSIONAMENTO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA PARA O SISTEMA

DE COMBATE A INCÊNDIO DE UMA PLANTA INDUSTRIAL


PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE

ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL

DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A

OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Examinado por:

_____________________________________________

Prof. Gustavo César 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

Gonçalves, Matheus Donadio

Re-dimensionamento de uma bomba centrífuga para

o sistema de combate a incêndio de uma planta

industrial/Matheus Donadio Gonçalves - Rio de Janeiro:

UFRJ/ESCOLA POLITÉCNICA, 2014.

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


Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola

Politécnica/Curso de Engenharia Mecânica, 2014.

Referências Bibliográficas: p. 70.

1. Dimensionamento de bomba centrífuga. 2.

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

Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Engenharia

Mecânica. III. Re-dimensionamento de uma bomba

centrífuga para o sistema de combate a incêndio de uma

planta industrial.

IV

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

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

incêndio de uma planta industrial


Fevereiro/2014


Curso: Engenharia Mecânica

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

de um projeto de ampliação da capacidade de um sistema de combate a incêndio do

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

uma bomba centrífuga para as condições de operação que foram definidas pela companhia.

O resultado será confrontado com a bomba que encontra-se em operação hoje para

verificar a possibilidade de sua utilização.

Palavras-chave: bomba centrífuga, sistema de combate à incêndio, 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 César 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

Sumário

I. Objetivo e Introdução .......................................................................................... 1

II. Bombas Hidráulicas ............................................................................................ 2

II.1 Bombas Dinâmicas ...................................................................................... 2

II.2 Bombas Volumétricas .................................................................................. 4

III. Bomba Centrífuga ............................................................................................... 6

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

III.2 Propriedades das Bombas Centrífugas ...................................................... 15

IV. Descrição do Sistema........................................................................................ 22

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

IV.2 Linha de Incêndio ................................................................................... 23

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

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

V.1 Levantamento da Tubulação ...................................................................... 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 Sucção ........................................................................ 42

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

V.6 NPSH Disponível........................................................................................ 44

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

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

VI.2 Seleção de Nova Bomba ........................................................................ 47

VII. Conclusão ......................................................................................................... 53

VII

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

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

VIII.2 Gráfico de Rugosidade Relativa ............................................................. 57

VIII.3 Desenhos esquemáticos do sistema ....................................................... 58

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

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

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

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

IX. Referências ....................................................................................................... 70

1

I. Objetivo e Introdução

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

de um projeto de ampliação da capacidade de um sistema de combate a incêndio do

terminal de navios de uma planta industrial.

Sendo assim, será feito o dimensionamento de uma bomba centrífuga para o

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

não atenda as condições que foram definidas pela companhia será 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 implementação ser aprovada

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

pertencente ao National Fire Protection Association, estabelece um padrão reconhecido

internacionalmente para a seleção e instalação de bombas estacionarias para proteção

contra incêndio. A mesma tem como objetivo garantir que o sistema funcionará como

projetado, de forma a fornecer o suprimento de água confiável e adequado em uma

situação de emergência.

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

funcionamento simultâneo de dois canhões monitores fixos (água + espuma opcional), à

1500 [lpm], e dois esguichos manuais (água + espuma), à 400 [lpm]. Estas vazões foram

solicitadas pela companhia para garantir o funcionamento dos equipamentos em condições

desejadas por ela e necessárias para atender às normas aplicáveis. O funcionamento

destes equipamentos no ponto de trabalho estabelecido é de grande importância, pois estas

condições garantirão um alcance já estipulado pela empresa (a ambos os equipamentos) e,

caso isto não seja atendido, além de não cumprir as normas, o sistema não terá a

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

empresa.

2

II. Bombas Hidráulicas

Bombas hidráulicas são máquinas utilizadas para transportar fluidos de um ponto a

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

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

uma máquina qualquer. Deve-se observar que, como a bomba possui uma certa eficiência

quando em situações reais, nem toda a energia que a mesma recebe da máquina motora é

transferida ao fluido.

As bombas hidráulicas são, devido a sua grande variedade de estruturas e princípios

de funcionamento, dividias em dois principais grupos, são eles: bombas dinâmicas (ou turbo

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

II.1 Bombas Dinâmicas

As bombas dinâmicas são bombas nas quais a energia cedida ao fluido é

encontrada sob forma de energia cinética. Esta energia é normalmente transferida a partir

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

cada tipo de bomba dinâmica o princípio de funcionamento deles é o mesmo.

A energia cinética do impelidor provém, como mencionado antes, de uma máquina

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

não modifica a classificação da bomba a ser acoplada na mesma. Ou seja, uma bomba

dinâmica pode ser alimentada tanto por um motor elétrico 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 cinética aumentada após passar pelo

impelidor. Porém, o objetivo de uma bomba hidráulica não é aumentar a velocidade do

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

esta energia cinética em energia de pressão ainda dentro da bomba. Para isto, utiliza-se

uma peça chamada voluta.

3

A voluta tem como principais funções acomodar o fluido e transformar, através de

uma variação de seção de área, a velocidade do mesmo em pressão. Este funcionamento

será explicado em detalhes mais à frente.

É importante observar que o desempenho destas bombas está diretamente

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

forneça maior resistência a movimentação do fluido a capacidade da bomba será reduzida,

tendo uma vazão de operação menor. Em consequência disto, as bombas dinâmicas

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

potência x vazão, rendimento x vazão etc. As mesmas serão discutidas em detalhes quando

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

bomba dinâmica.

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

4

Os exemplos mais comuns de bombas dinâmicas são: Bombas Centrífugas (Puras

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

ou Regenerativas.

II.2 Bombas Volumétricas

As bombas volumétricas, ao contrário das bombas dinâmicas, têm como

característica principal o fato da transferência de energia se dar diretamente na forma de

pressão. Sendo assim, não há necessidade de utilização de uma peça como a voluta, já

que não é preciso realizar nenhuma transformação de energia no equipamento.

Esse grupo de bombas possui este nome pois a transferência de energia é obtida

através do deslocamento de volumes finitos de fluido diretamente para a pressão elevada.

Este deslocamento, por sua vez, também está relacionado ao movimento de uma máquina

motora. Porém, ao invés de ser o impelidor que realiza a transferência de energia ao fluido,

a mesma é feita a partir de uma peça mecânica qualquer (esta depende do tipo de bomba)

que obriga o fluido a seguir seu movimento.

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

movimento da peça mecânica, a vazão deste tipo de bomba é, em média, invariável (caso a

rotação da peça mecânica seja constante) e independe do sistema ao qual a mesma está

acoplada.

Sendo assim, as bombas volumétricas não possuem curvas características como as

bombas dinâmicas pois a vazão do fluido está diretamente ligada a rotação do motor e a

variação da mesma não modifica o acréscimo de pressão a ser fornecido (já que volumes

finitos são deslocados diretamente para o ponto onde a pressão é igual a pressão de

descarga da bomba). O rendimento da bomba também independe da rotação do motor.

Então, a única curva que faz sentido ser analisada é a curva potência x vazão já que nos

fornece informações 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 volumétricas são: Bombas Alternativas

(Pistão, Êmbolo e Diafragma) e Bombas Rotativas (Engrenagens - Figura II.2, Lóbulos,

Parafusos e Palhetas Deslizantes).

6

III. Bomba Centrífuga

A bomba centrífuga é um tipo de bomba dinâmica (ou turbo bomba) e,

especificamente, é a bomba que será estudada e dimensionada neste projeto. O princípio

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

bombas dinâmicas, é exatamente o mesmo do explicado anteriormente.

Este tipo de bomba é requisito básico para qualquer sistema de combate a incêndio.

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

grandes vazões e não tão elevadas pressões. Estas condições caracterizam, exatamente, o

caso encontrado nestas situações emergenciais.

A alta vazão demandada está diretamente relacionada a abertura de diferentes

terminais de captação de água da linha em uma emergência. Dificilmente, um combate a

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

estenda por uma vasta região é necessário que o sistema suporte uma demanda ainda

maior.

III.1 Principais Componentes

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

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

aplicação. Sendo assim, será feita uma apresentação geral dos componentes mais

importantes de uma bomba centrífuga.

III.1.1 Impelidor

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

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

Cada tipo de bomba dinâmica possui uma configuração de impelidor diferente e

cada variação de estrutura confere ao mesmo diferentes condições de trabalho. Cada uma

destas formas servem para aplicações diferentes e trazem benefícios específicos. O

7

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

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

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

Bombas centrífugas com impelidores abertos são as mais comuns hoje em dia

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

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

é a possibilidade de adaptação do mesmo para diferentes condições de operação. Ou seja,

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

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

com uma fácil adaptação do impelidor. Este fato, por sua vez, gera uma padronização das

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

8

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

Impelidores com simples sucção são os impelidores mais comuns no mercado. A

única diferença em relação ao impelidor de dupla sucção é que aquele permite a sução de

duas tubulações opostas ao mesmo tempo. Segue uma comparação na Figura III.2.

III.1.2 Carcaça

A carcaça de uma bomba centrífuga tem como principais funções a contenção do

fluido no interior da bomba e a conversão de energia cinética em energia de pressão.

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

refere a uma aplicação diferente. Serão abordados a seguir os diferentes tipos principais de

carcaças.

III.1.2.1 Carcaça em Voluta

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

funções principais: acomodar o fluido na saída do impelidor e converter a energia cinética

fornecida a ele em energia de pressão.

A necessidade de acomodação do fluido na saída do impelidor se deve ao fato da

fluxo na saída do impelidor ser, no caso da bomba centrífuga, radial. Caso a carcaça fosse

concêntrica ao impelidor e com uma mesma seção reta ao longo de todo o impelidor, o

9

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

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

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

útil devido ao esforço excessivo e vibrações constantes.

Figura III.3 Esquema de uma carcaça em voluta

Sendo assim, a voluta possui um aumento de seção reta de captação ao longo de

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

evitando seu acúmulo e suas consequências. Ao final do contorno do impelidor a voluta

possui uma parte difusora que fornece a conversão da energia cinética do fluido em

pressão.

Deve-se ressaltar que este tipo de carcaça possui uma vazão de projeto. Caso a

vazão de operação seja diferente da vazão de projeto seus benefícios podem ser reduzido e

até mesmo anulados. Na Figura III.4 segue um gráfico que confronta os esforços radiais

com a vazão de operação.

10

Figura III.4 Relação entre esforços radiais e vazão (Mattos & Falco, 1998)

III.1.2.2 Carcaça com Dupla Voluta

Quando as vazões de operação são muito elevadas torna-se necessária a utilização

de carcaças com dupla voluta, Figura III.5. Este tipo de carcaça reduz ainda mais os

esforços radias impondo uma simetria na construção da voluta.

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

11

A partir da figura a cima podemos observar que esta configuração é obtida através

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

esforços radiais.

III.1.2.3 Carcaça com Pás Difusoras

A carcaça com pás difusoras, Figura III.6, é uma carcaça que, como o próprio nome

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

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

Estas pás funcionam como difusores pois as mesmas têm suas seções de área

intermediarias gradualmente aumentadas convertendo assim, a velocidade em pressão.

Note que esta configuração elimina a necessidade de utilização da voluta para acomodar o

fluido pois o mesmo não ocorre neste caso. No entanto, este tipo de carcaça é de alto custo

e complexidade quando comparada a carcaça em voluta.

III.1.3 Vedação

Devido à estrutura das bombas centrífugas a vedação também é um fator essencial

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

12

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

necessidade de um eixo de transmissão atravessar a carcaça da bomba devido ao fato do

impelidor permanecer alojado no interior da mesma.

Sendo assim, caso não houvesse um sistema de vedação eficiente, a bomba,

quando operada acima da pressão atmosférica, apresentaria vazamento de fluido e perda

de eficiência. Caso a bomba opere abaixo da pressão atmosférica, sua função é impedir a

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

será detalhado o princípio de funcionamento de cada um deles.

III.1.3.1 Vedação por Gaxetas

A vedação por gaxetas, Figura III.7, consiste na presença de uma extensão a

carcaça da bomba na direção do eixo de transmissão. Esta espécie de “caixa” (caixa de

gaxetas) envolve o eixo com uma certa folga e permite a inserção de anéis (gaxetas) em

torno do mesmo. Estes anéis são, por sua vez, comprimidos por intermédio de uma peça

chamada de sobreposta.

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

13

A sobreposta funciona como uma espécie de tampa que pode ter seu “aperto”

regulado por parafusos. Sendo assim, é possível controlar a pressão com que os anéis de

gaxeta são comprimidos regulando o vazamento do fluido.

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

parado por completo. Isto se deve ao fato de um vazamento mínimo ser necessário para

lubrificar os anéis de gaxeta e evitar seu desgaste acelerado.

Além dos anéis principais de vedação existem alguns outros tipos de anéis com

funções específicas no sistema de vedação como: bucha de garganta e anel de lanterna.

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

como função principal induzir uma perda de carga calculada e reduzir a pressão transmitida

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

ela possui é a de reduzir o contato dos anéis de vedação com possíveis fluidos abrasivos

com os quais a bomba poderia estar operando.

O anel de lanterna é utilizado quando há necessidade de utilização de um fluido de

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

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

inflamáveis ou tóxicos que não podem vazar, nem mesmo minimamente, pela caixa de

gaxetas. Este anel funciona como uma conexão para a entrada do líquido de selagem.

Dependendo de sua função 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

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

III.1.3.2 Vedação por Selo Mecânico

A vedação por selo mecânico, Figura III.8, é uma alternativa a vedação por gaxetas.

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

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

condições severas de pressão.

14

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

eixo e outro estacionário. Estes dois conjuntos possuem faces de vedação que são

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

permanente, por sua vez, realiza a vedação. Esta vedação é chamada de vedação primária

ou vedação dinâmica.

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

Além desta primeira vedação existe, também, uma vedação secundária que é

realizada por anéis que são posicionados em uma espécie de câmara entre as faces

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

Este sistema, apesar de ser bastante eficiente, é caro e não é indicado para situações onde

ocorram bastante vibração devido a sua “fragilidade” mecânica.

15

III.2 Propriedades das Bombas Centrífugas

III.2.1 Curva Head X Vazão

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

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

determinada vazão.

Por motivos conveniência ou costume no mercado as curvas “head x vazão” 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 gráfico Head X Vazão (Escola da Vida, 2013)

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

curva “head x vazão” 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

interseção da curva “head x vazão” da bomba com a curva “head x vazão” do sistema.

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

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

como resistência ao escoamento do fluido para uma determinada vazão. 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 Interseção de curvas da bomba e do sistema (OMEL, 2013)

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

de operação da bomba, sua vazão e head. A partir do momento que temos a vazão de

operação da bomba podemos utilizá-la em duas outras curvas características e determinar

a eficiência da bomba e a potência requerida para operação naquele ponto.

17

III.2.3 Curva Eficiência x Vazão

A curva “eficiência x vazão”, Figura III.11, como o próprio nome diz, é a curva que

relaciona a eficiência de operação da bomba com a vazão a qual ela opera.

Figura III.11 Exemplo de gráfico Eficiência X Vazão (Escola da Vida, 2013)

O rendimento (ou eficiência) da bomba é determinado pela equação (III.1).

n = potência útil cedida ao fluido

potência absorvida pela bomba (III.1)

Vale ressaltar que neste rendimento estão incluídos o rendimento hidráulico, o

rendimento mecânico e o rendimento volumétrico da bomba. A partir do momento que

determinamos o ponto de operação da bomba utilizamos a sua vazão na curva “eficiência x

vazão” a cima e determinamos a eficiência da bomba.

III.2.4 Curva de Potência X Vazão

A curva “potência x vazão”, Figura III.12, é uma curva muito importante pois ela

explicita a potência requerida pela bomba. Esta potência está diretamente relacionada a

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

dimensionamento, esta curva é essencial para a seleção do motor.

18

Figura III.12 Exemplo de gráfico Potência X Vazão (Escola da Vida, 2013)

É importante ressaltar que quando o fabricante não fornece esta curva a mesma

pode ser calculada pela equação (III.2).

Potabs = ρ∗Q∗H

η (III.2)

Sendo:

ρ = densidade do fluido

Q = vazão do fluido

H = head do ponto de operação

η = eficiência da bomba

III.2.5 Cavitação

Apesar do projeto em questão estar relacionado ao dimensionamento de uma

bomba centrífuga, o conceito de cavitação é muito importante no estudo das bombas

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

NPSH, que será definido e tratado mais à frente.

19

A cavitação é um fenômeno que provém da vaporização do fluido no interior da

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

acontecimento é muito comum próximo ao impelidor devido a rarefações do líquido devido

às próprias natureza de escoamento do fluido ou ao movimento de impulsão.

Este fenômeno é extremamente prejudicial ao funcionamento da bomba pois as

bolhas que se formam são arrastadas pelo movimento do fluido e, devido ao próprio

funcionamento da bomba, quando as pressões são novamente elevadas a cima da pressão

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

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

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

desempenho, Figura III.13.

Figura III.13 Influência da cavitação nas curvas da bomba (Mattos & Falco, 1998)

Sendo assim, todas as bombas são projetadas para minimizar este fenômeno e

também possuem limitações de aplicações em certas condições de sucção governadas por

uma propriedade chamada de NPSH.

20

III.2.6 NPSH

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

fluido possui na sucção acima da pressão de vapor do mesmo. Ou seja, é quanto o mesmo

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

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

bomba) e o disponível (calculado de acordo com as condições de sucção).

O NPSH requerido está relacionado as perdas da bomba entre o flange de sucção e

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

acima da pressão de vapor no flange de sucção para não virar vapor antes de atingir o

impelidor.

Figura III.14 Exemplo de gráfico NPSHr X Vazão (Escola da Vida, 2013)

Como o NPSH requerido está diretamente relacionado a vazão de operação, Figura

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

requerido pela bomba e sua vazão de operação. O NPSH disponível pode ser calculado

pela equação (III.3).

NPSHd = Hs + (Pa − Pv)

γ (III.3)

21

Sendo:

NPSHd = (NPSH disponível)

Hs = (head de sucção)

Pa = (pressão atmosférica)

Pv = (pressão de vapor do fluido)

γ = (peso específico do fluido)

Vale ressaltar que, para não haver cavitação, o NPHS disponível deve ser sempre

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

espécie de coeficiente de segurança. Sendo assim, é costume seguir a equação (III.4).

NPSHd ≥ NPSHr + 0.6 [m] (III.4)

Sendo:

NPSHr = (NPSH requerido)

22

IV. Descrição do Sistema

O sistema de combate a incêndio, como o próprio nome indica, é um sistema crítico

de qualquer instalação, industrial ou não. Ele é a última barreira contra potenciais incêndios

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

aspectos, normatizado e padronizado para diferentes situações.

Devido à natureza específica do sistema, convém fazer uma análise separada para

cada equipamento do mesmo abordando, além de suas características técnicas, todos os

seus aspectos que são relacionados as normas aplicáveis. Sendo assim, após a descrição

de cada equipamento serão feitas as referências as normas aplicáveis e indicado em quais

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

sistema seja permitida, aprovada legalmente e confiável.

IV.1 Funcionamento

Apesar de ser um sistema bastante complexo, seu funcionamento é bastante

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

esguicho ou canhão em qualquer parte da linha, a súbita despressurização é identificada e

o sistema entra em ação.

O reservatório de água que servirá de abastecimento a bomba principal é a Baía de

Guanabara. Porém, devido ao fato da sucção ser negativa, existe uma válvula de pé que

mantêm a coluna de água da tubulação de sucção preenchida e um tanque de escorva para

eventuais falhas deste equipamento.

Para evitar ativações indesejadas da bomba principal existe também uma bomba

auxiliar chamada de Bomba Jockey que toma o seu lugar em situações específicas que não

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

capacidade a Bomba Jockey é, neste caso, uma bomba elétrica. Seu funcionamento será

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

Sendo assim, é necessário 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 operação automaticamente para um combate emergencial, ela

deve ser desligada manualmente para garantir que há, realmente, a intenção 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

catástrofe.

IV.2 Linha de Incêndio

A tubulação de incêndio abordada no projeto é uma tubulação relativamente antiga

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

que seria implantado.

Apesar da tubulação da planta ter o característico formato de anel presente em

diversas instalações industriais, somente uma parte deste anel será estudada neste projeto.

Tal escolha, a uma primeira vista, pode não parecer muito sensata. Porém, vale ressaltar

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

como a situação crítica de funcionamento do sistema. Ou seja, as condições de operação

que serão impostas a este trecho fazem com que o mesmo represente a condição hidráulica

mais desfavorável, em que será demandada mais vazão e capacidade da bomba de

incêndio (quando comparado com outras combinações possíveis ao longo de todo o anel).

De acordo com a norma NFPA 20 toda a linha de incêndio deve ser constituída de

tubulação Schedule 40 sem costuras. Apesar do dimensionamento da linha não fazer parte

do projeto, vale ressaltar que a tubulação em questão já atende a esta norma. No capítulo

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

24

IV.3 Equipamentos a Serem Estudados

IV.3.1 Bomba Principal

A bomba principal é a própria bomba a ser dimensionada neste projeto. Como

mencionado anteriormente ela é uma bomba centrífuga. O funcionamento da mesma

também já foi previamente explicado. Sendo assim, será detalhada agora a bomba que se

encontra atualmente em operação e que será confrontada ao dimensionamento realizado

neste projeto.

A bomba atual também é uma bomba centrifuga. No entanto é uma bomba

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

e o rotor (ou impelidor) é de aço inox. A vedação do eixo é feita através de gaxetas e o

mesmo é feito de aço carbono.

O motor que fornece energia a esta bomba é um motor diesel estacionário Mercedes

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

encontram-se no anexo VIII.4.

IV.3.2 Esguichos Manuais

Enquanto os canhões monitores são equipamentos fixos, os esguichos manuais são

equipamentos móveis limitados pelo alcance da mangueira utilizada. Eles são normalmente

utilizados como lançadores de espuma através da utilização de um LGE (líquido gerador de

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

mangueira e um lançador, Figura IV.2.

25

Figura IV.1 Proporcionador de linha tipo PL - Kidde

O proporcionador é uma peça que possui um orifício calibrado onde a velocidade da

água é aumentada. Neste local forma-se uma zona de baixa pressão que, devido a um

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

junto ao fluxo de água.

Figura IV.2 Lançador de espuma modelo R - Kidde

Esta mistura (água + LGE) é conduzida pela mangueira até o lançador. Neste

lançador a velocidade também é aumentada em certo local utilizando o mesmo princípio.

26

Porém, desta vez, o que é arrastado é ar atmosférico e esta nova mistura (água + LGE + ar)

forma a espuma que é utilizada no combate a incêndio.

IV.3.3 Canhões Monitores Fixos

Os canhões monitores fixos, Figura IV.3, são normalmente usados em situações que

demandam grande vazão de água e alcance em um local específico. Devido ao fato de

serem fixos estes equipamentos possuem área de ação limitada. O conjunto completo do

equipamento é composto por um corpo (a própria estrutura do canhão), um tubo laminador

e um esguicho.

Figura IV.3 Canhão monitor fixo modelo MR402 - Mecânica Reunida

A estrutura do canhão funciona como uma base móvel e permite o direcionamento

do jato d’água. O tubo laminador, Figura IV.4, equipamento que é acoplado ao corpo do

canhão, serve para reduzir a turbulência do jato e permitir um maior alcance.

27

Figura IV.4 Esguicho modelo HF350/500 - Kidde

O esguicho, último acessório do conjunto, permite a adequação do jato de água e

aplicação opcional de espuma caso necessário. Esta adequação do jato está 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 névoa) fornece proteção ao

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

através do mesmo princípio explicado para o esguicho manual.

Seu funcionamento é bastante simples: consiste na abertura de uma válvula para

liberação do fluxo d’água, no direcionamento do jato (realizado na estrutura do canhão) e na

regulagem do mesmo no esguicho.

IV.3.4 Outros Equipamentos Vitais para o Sistema

Além dos equipamentos que farão parte do re-dimensionamento não se pode deixar

de falar sobre alguns outros equipamentos de sistemas de combates a incêndio que são,

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

Especialmente, devido as suas respectivas importâncias e funções no sistema os

mesmos são, também, mencionados em diversas normas quanto às suas estruturas,

condições de operações e características principais. Sendo assim, este projeto também fará

menção aos principais aspectos de cada um destes equipamentos e às normas aplicáveis

aos mesmos.

28

IV.3.4.1 Hidrantes

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

terminais de qualquer tubulação de combate a incêndio. De acordo com a NBR 13714, item

3.8, eles são pontos de tomada de água onde há uma (simples) ou duas (duplo) saídas

contendo válvulas angulares com seus respectivos adaptadores, tampões, mangueiras de

incêndio e demais acessórios.

Figura IV.5 Hidrante Industrial (NETFIER, 2013)

É interessante que todas as saídas de água dos hidrantes sejam voltadas para o

chão e, de preferência, para as laterais. Isto se deve a possibilidade de ocorrerem eventuais

vazamentos nas válvulas. Isto, por sua vez, pode gerar uma pressurização nos tampões

fazendo com que os mesmos sejam lançados como projéteis quando desengatados das

válvulas. É devido a esta condição desfavorável que, além da geometria indicada, é

recomendado que os tampões possuam pequenos orifícios por onde qualquer vazamento

possa ser escoado evitando o acúmulo de pressão entre o tampão e a válvula.

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

distribuídos de tal forma que qualquer ponto da área a ser protegida seja alcançado 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 água.

IV.3.4.2 Mangueiras

As mangueira de incêndio são os equipamentos utilizados para conduzir o fluxo de

água de algum terminal da linha de incêndio à algum outro equipamento ou diretamente ao

combate.

Por serem um equipamento extremamente crítico as mesmas são mencionadas e

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

Inspeção, manutenção e cuidados) e NBR 11861:1998 (Mangueira de incêndio - Requisitos

e métodos de ensaio). É possível observar que nessas normas são abordadas as atividades

de inspeção, ensaio e manutenção.

Um bom exemplo de normatização encontrada nestes documentos é a padronização

das informações de controle e identificação da mesma que devem estar gravadas no corpo

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

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

IV.3.4.3 Bomba Jockey

A bomba Jockey é um equipamento fundamental para o funcionamento do sistema

de combate a incêndio. A função principal dela é manter a linha pressurizada a todo

instante.

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

momento de sua vida útil. Isto pode acontecer devido ao desgaste causado pelo próprio

fluido de trabalho da tubulação ou mesmo por qualquer outra influência externa.

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

caso não houvesse a presença da Bomba Jockey, faria com que a bomba principal entrasse

em operação. Tal consequência é extremamente indesejada pois, além de representar um

desperdício de combustível (causado pela operação desnecessária), também poderia

30

causar algum dano a tubulação devido ao aumento exagerado da pressão na presença de

uma possível falha (um furo).

Outro problema comum de um acontecimento destes está ligado a logística da

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

brigada da planta para uma falsa emergência. Isto seria algo inaceitável para o

funcionamento da planta, já que os funcionários da brigada realizam também outras funções

e isto pararia a produção a cada evento destes.

IV.3.4.4 Tanque de Escorva e Válvula de Pé

O tanque de escorva e a válvula de pé compartilham do mesmo objetivo: manter o

interior da bomba e a tubulação de sucção cheias d’água.

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

função é afogar a bomba antes da mesma ser ligada a fim de evitar uma rotação em falso e

uma possível danificação da bomba. Isto se deve ao fato da incapacidade das bombas

centrífugas operarem quando não afogadas devido ao alto grau de compressibilidade do ar

(não permitindo a sucção do líquido do reservatório).

A válvula de pé é uma peça acoplada a ponta da tubulação de sucção que fica

submersa em um reservatório d’água em um sistema com sucção negativa. Esta, por sua

vez, somente permite a passagem de água no sentido da sucção evitando a fuga de água

de volta para o reservatório. Isto faz com que a coluna de sucção seja mantida sempre

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

escorva uma redundância e um equipamento de backup.

31

V. Dimensionamento do Sistema

O dimensionamento do sistema será feito através do cálculo da curva de perda de

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

para verificar a possibilidade de manutenção da utilização da bomba que encontra-se

instalada. Caso a bomba não atenda às condições impostas pela companhia será feita a

seleção de uma bomba que atenda a estes requisitos. Também será avaliado, para

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

sistema deste tipo. A seguir será feito o levantamento da tubulação, passo inicial e

fundamental a aplicação do método.

V.1 Levantamento da Tubulação

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

tubulação devido à dificuldade de acesso as plantas específicas deste sistema. Sendo

assim, toda a tubulação foi medida manualmente e, após esta etapa, foram feitos desenhos

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

na Figura V.1, um esquema geral da tubulação em questão.

Figura V.1 Desenho da tubulação

32

V.2 Curva de Perda de Carga dos Equipamentos

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

traçadas no dimensionamento. Isto se deve ao fato do cálculo da curva de perda de carga

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

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

obtidas.

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

V.2.1.1 Canhão Monitor Fixo (Rosca ou Flange) - Modelo MR402 (Mecânica

Reunida)

O caso do canhão monitor fixo foi o mais simples, o próprio fabricante já dava a

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

Figura V.2 Gráfico de perda de carga do canhão monitor fixo - Kidde

A partir desta figura foi feita a digitalização 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 não tinha todos os valores que eram necessários) e passada para

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

Figura V.3 Perda de carga do canhão

A partir desta digitalização foi obtida a equação da curva e a mesma foi utilizada

para relacionar qualquer vazão 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 canhão monitor foi

traçada a partir da equação (V.1), que relaciona pressão e vazão e que foi fornecida pelo

fabricante:

Q[gpm] = K√P[psi] (V.1)

34

Sendo:

𝐹𝑎𝑡𝑜𝑟 𝐾 = 35

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

(também passada para unidades métricas).

Figura V.4 Perda de carga do esguicho

Apesar dos valores altíssimos de perda de carga para vazões maiores, quando esta

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

somada ao sistema em paralelo. Isto será 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 traçada a partir da seguinte

equação, (V.2), que relaciona pressão e vazão e que foi fornecida pelo fabricante:

Q[gpm] = K√P[psi] (V.2)

35

Sendo:

𝐹𝑎𝑡𝑜𝑟 𝐾 = 8.9

O resultado da plotagem desta equação 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 altíssimos de perda de carga

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

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

mais à frente.

V.2.2.2 Esguichos Manuais Lançadores de Espuma - Modelo R350

A perda de carga deste esguicho que fica acoplado ao proporcionador não foi

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

perdas do proporcionador.

36

V.3 Perda de Carga na Descarga

Após 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 três 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

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

Figura V.6 Modelo simplificado do sistema

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

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

consiste em substituir, para efeito de cálculo, um equipamento por uma seção reta de

tubulação (de mesmo diâmetro) que, quando operada nas mesmas condições, fornece a

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

reta sem equipamentos. As tabelas de conversão 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 cálculos 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 Diâmetro [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

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

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

foi necessário porque cada variação de diâmetro configura um cálculo de perda de carga e

uma curva diferente.

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

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

ℎ𝑓 = 0,0826 𝑓 𝐿𝑒𝑞 𝑄2

𝐷5 (V.3)

38

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

calcular o mesmo foi utilizada a fórmula de Churchill, equação (V.4), tonando-se possível

levantar a curva de perda de carga daquele trecho.

𝑓 = 8 × [(8

𝑅𝑒)

12+ (𝐴 + 𝐵)−1,5]

1

12

(V.4)

Sendo:

𝐴 = {2,457 × 𝑙𝑛 [1

(7

𝑅𝑒)

0,9+(0,27×

𝜖

𝐷)]}

16

(V.4 a)

𝐵 = (37530

𝑅𝑒)

16 (V.4 b)

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

𝐷. O

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

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

processo de combinação das mesmas, que será detalhado a seguir.

V.3.1 Combinação 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 série para obter-se a

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

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

canhão e o esguicho para canhão). Para realizar a operação de soma em série basta

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

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

desníveis utilizados encontra-se no anexo VIII.7. O resultado desta combinação está 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 está 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 vazões. O resultado está 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 série com a

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

ramificação R3. Este cálculo foi feito na Figura V.10.

41

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

É possível observar, agora, que a curva resultante equivale à curva de perda de

carga das ramificações dos dois canhões (R1 e R2) e do último trecho de linha reta (L1)

combinadas. Então, temos uma situação equivalente a inicial (duas curvas que dividem o

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

Então, repetindo todo este procedimento feito até agora, até chegar ao primeiro nó (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 Sucção

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

calcular a curva de perda de carga da sucção. No entanto, este cálculo é bem mais simples

pois este trecho da linha não apresenta ramificações. O procedimento de cálculo foi o

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

resultado deste cálculo está na Figura V.12.

43

Figura V.12 Curva de perda de carga da sucção 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 sucção 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 Disponível

O último fator a ser calculado para a tubulação de incêndio é o HPSH disponível no

sistema. Este, por sua vez, será um ponto determinante na seleção final da bomba. Vale

lembrar que a importância do mesmo está diretamente relacionada ao fenômeno da

cavitação.

V.6.1 Cálculo do NPSH Disponível

Resolvendo a equação (III.3):


γ


ρ∗g

NPSHd = − 5,23 + (101325 − 3225,3)

10040,34

NPSHd = 4,54 [mca]

Sendo:

Hs = − 5,23 [mca] (head de sucção)

Pa = 101325 [Pa] (pressão atmosférica)

Pv = 3225,3 [Pa] (pressão de vapor da água salgada à 25ºC) (Thermophysical

properties of seawater, 2010)

ρ = 1023,48 [kg/m3] (massa específica da água salgada da baía à 25ºC)

(Thermophysical properties of seawater, 2010)

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

γ = ρ ∗ g (peso específico do fluido)

45

VI. Bomba Principal

Após o término dos cálculos do head do sistema e do NPSH disponível é possível

encontrar o ponto de trabalho da bomba instalada atualmente.

VI.1 Ponto de Trabalho da Bomba Atual

O cálculo do ponto de trabalho da bomba, caso utilizássemos a bomba atualmente

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

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

a partir das informações 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 comparação.

Figura VI.1 Curva da bomba atual

46

Figura VI.2 Curva digitalizada da bomba atual

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

resultado da Figura VI.3.

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

O ponto de operação resultante deste dimensionamento foi o ponto com vazão de

198 [m³/h] e head de 117,9 [mca]. Sendo assim, podemos observar que a bomba

47

atualmente instalada na planta não é capaz de fornecer a vazão mínima total de 228 [m³/h],

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

capacidade inferior da bomba, será proposta a utilização de uma nova bomba pela

companhia.

VI.2 Seleção de Nova Bomba

Após o cálculo do ponto de trabalho da bomba atual e a verificação do não

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

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

e, através de sua ferramenta de auxílio de seleção, foi escolhida uma nova bomba para o

sistema.

A ferramenta de seleção recebe alguns dados de operação como head, vazão,

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

estas características. Após este passo foi feita uma triagem e selecionada a bomba mais

adequada. A bomba selecionada foi uma bomba centrífuga 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 cálculo do ponto de trabalho da nova bomba (caso utilizássemos ela nesse

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

bomba. É a partir dele que será verificado se a bomba realmente atende às condições

estabelecidas pela companhia. Sendo assim, a partir das informações 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

métricas:

48

Figura VI.4 Curvas da nova bomba selecionada

Figura VI.5 Curva da nova bomba digitalizada

49

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

resultado da Figura VI.6.

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

O ponto de operação resultante deste dimensionamento foi o ponto com vazão de

228 [m³/h] e head de 147,3 [mca]. Sendo assim, podemos observar que esta bomba é

capaz de fornecer a vazão total de 228 [m³/h], que é a soma das vazões que a companhia

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

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

como base este mesmo valor em uma ferramenta automática 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 parâmetros importantes para validar por total sua utilização,

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 operação é de 10 [ft] ou 3,05 [m]. Sendo assim, devemos

ter uma margem de segurança como explicado anteriormente. Então:

50

Margem de segurança: 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 é 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 utilização em sistemas

de combate a incêndio precisa seguir alguns requisitos referentes a sua condição de

operação.

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

a 150% da sua vazão 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

condições de sucção. Quanto ao limite inferior, a norma recomenda que a bomba não seja

operada a menos de 90% de sua capacidade de projeto. Sendo assim, estas condições são

definidas por:

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

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

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

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

esta vazão limite superior será chamado de segundo ponto de operação. Este requerimento

51

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

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

menor queda de Head para maiores vazões. Isto é muito importante pois caso a bomba não

suporte o combate ao incêndio no seu ponto de operação a abertura de mais hidrantes e a

consequente maior demanda de água não fará com que o Head da bomba caia

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

Para Qlim superior,

Hlim ≥ 65% ∗ Hprojeto = 95,7 [mca]

Então, para a vazão de 342 [m³/h] o Head da bomba deve ser maior que 95,7 [mca].

A norma também indica que o ponto de shutoff da bomba não deve exceder 140%

do head de projeto. Sendo assim:

Hshutoff ≤ 140% Hprojeto = 206,2 [mca]

A partir da determinação destes limites e requisitos é necessário verificar se a

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

a partir da norma NFPA 20.

52

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

Requisito Nova Bomba

Q

[m³/h]

𝐻𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜

[mca]

Q

[m³/h]

𝐻𝑟𝑒𝑎𝑙

[mca]

Requisito da Companhia

(para o ponto de operação) ≥ 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

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

condições dimensionadas neste projeto.

53

VII. Conclusão

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

a incêndio existente atualmente na planta industrial estudada não é uma bomba que atende

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

necessária para o funcionamento do sistema foi observado que a curva da bomba atual não

é capaz de operar nas condições de vazão definidas pela companhia.

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

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

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

garantir a possibilidade de sua utilização. 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 sugestões importantes são: um estudo de custo para correção deste sistema e

instalação desta nova bomba selecionada e um estudo para verificar a vazão e alcance

finais de cada canhão monitor fixo e esguicho manual. Este último, 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

cálculos das perdas de carga no sistema.

VIII.1.1 Reduções e ampliações de diâmetro

Tabela VIII.1 Comprimento Equivalente - Reduções e ampliações de diâmetro (Mattos & Falco, 1998)

55

VIII.1.2 Válvulas

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

56

VIII.1.3 Joelhos, curvas e T’s

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

57

VIII.2 Gráfico de Rugosidade Relativa

Figura VIII.1 Ábaco de rugosidade relativa de tubulação (Mattos & Falco, 1998)

58

VIII.3 Desenhos esquemáticos do sistema

VIII.3.1 Tubulação de Sucção

Figura VIII.2 Esquema geral da tubulação de sucção (cotas em metros)

59

VIII.3.2 Esquema geral da descarga

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

60

VIII.3.3 Detalhe na região próxima a bomba na descarga

Figura VIII.4 Esquema da tubulação de descarga - próximo à bomba (cotas em metros)

61

VIII.3.4 Detalhe na região próxima a curva principal

Figura VIII.5 Esquema da tubulação de descarga - próximo à curva principal (cotas em metros)

62

VIII.3.5 Detalhe na região próxima aos esguichos manuais

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

63

VIII.3.6 Detalhe na região próxima aos canhões

Figura VIII.7 Esquema da tubulação de descarga - próximo aos canhões (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 cálculo 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

Válvula Gaveta 8 2,74

Linha 8 0,26

Bifurcação / Direto 8 4,27

Linha 8 1,1

Válvula Gaveta 8 2,74

Linha 8 0,098

Redução 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 45º 6 1,525

Linha 6 1,72


Linha 6 2,56


Linha 6 1,06

Redução 4 1,22

Linha 4 5,2


Redução 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



Bifurcação / Ramal 6 9,15

Redução Brusca 3 1,52

Linha 3 0,77


Linha 3 15,13

VIII.6.4 Trecho R3




Redução Brusca 2,5 1,52

Linha 2,5 1

Válv. Gaveta 2,5 0,84

VIII.6.5 Trecho R4




Redução Brusca 2,5 1,52

Linha 2,5 1

Válv. 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



Ampliação 5 1,22

Linha 6 0,125

Junta Flexível 6 1,98

Válv. de Retenção 6 22,87

Linha 6 0,312

Válv. Gaveta 6 1,98

Linha 6 0,378


Linha 6 0,353

Ampliação 6 2,13

Linha 8 1


Linha 8 2,292

Ampliação 8 1,83


Linha 10 64,725


Linha 10 16,47


Redução Brusca 6 2,9

Linha 6 1,35


Linha 6 1,65


Linha 6 1,42


Linha 6 0,6

Válv. Gaveta 6 1,98

Linha 6 11,77


Linha 6 13,13

69

VIII.7 Tabela de desníveis de cada trecho

Tabela VIII.12 Desníveis de cada trecho

Trecho Z [mca]

R1 0,98

R2 0,77

R3 0

R4 0

L3 -0,07

S 3,7

70

IX. Referências

Bloch, H. P., & Budris, A. R. (1933). Pump User’s 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 (3ª ed.). McGraw-Hill.

Lima, E. C. (Novembro de 2006). QUALIDADE DE ÁGUA DA BAÍA DE GUANABARA E

SANEAMENTO: UMA ABORDAGEM SISTÊMICA. Rio de Janeiro.

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

Interciência.

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. (Março de 2010). Fonte:

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

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

re-dimensionamento de uma bomba centrífuga para o sistema de

Documents