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Tarso José Rebolo Costa
DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE
UMA DISTRIBUIDORA DE COMBUSTÍVEIS
Centro Universitário Toledo
Araçatuba
2018
Tarso José Rebolo Costa
DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE
UMA DISTRIBUIDORA DE COMBUSTÍVEIS
Trabalho para Conclusão de Curso apresentado ao Centro
Universitário Toledo de Araçatuba, sob orientação
Professor Ms. Lucas Mendes Scarpin, como requisito
parcial para a obtenção do título de Engenheira
Mecânica.
Centro Universitário Toledo
Araçatuba
2018
FICHA CATALOGRÁFICA
Costa, Tarso José Rebolo
Dimensionamento de um sistema de bombeamento de uma distribuidora de
combustíveis / Tarso José Rebolo Costa – Araçatuba, 2018, 74 f.
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia de Mecânica – Centro
Universitário Toledo.
Orientador: Prof°. Me. Lucas Mendes Scarpin.
1. Dimensionamento. 2. Melhoria. 3. Soluções. 4. Baixo Custo. I. Scarpin, Lucas
Mendes II. Dimensionamento de um sistema de bombeamento de uma distribuidora de
combustíveis
AGRADECIMENTOS
Gostaria primeiramente de agradecer a Deus por estar comigo em todos os momentos da minha
vida, me dando apoio e todas as forças possíveis para finalizar esse trabalho de conclusão de curso.
Agradeço a minha mãe e irmã, Cida e Livia, e todos familiares e amigos que me deram forças
para continuar tentando, me incentivando independente do desafio.
Ao meu orientador, Prof. Mestre Lucas Mendes Scarpin, principalmente pela paciência,
dedicação, incentivo e sabedoria que me auxílio do começo ao fim do meu trabalho.
A todos os professores, que me ensinaram, incentivaram, ajudaram, aconselharam, contribuindo
totalmente para um crescimento profissional.
RESUMO
Este trabalho apresenta uma reflexão e estudo sobre bombas centrífugas, que são um
tipo específico de turbomáquinas utilizadas no bombeamento de fluidos, transferindo-os de um
ponto ao outro. São utilizadas em sistemas de saneamento básico, distribuição de água,
edifícios, dentre outros. As bombas centrífugas são projetadas para operar de acordo com uma
determinada vazão e altura manométrica total, porém, dependendo da instalação ou condição
operacional, podem ocorrer mudanças nesses parâmetros. Diante disso, foi proposto
desenvolver um projeto detalhado de um sistema de bombeamento de uma distribuidora de
combustíveis, observando o carregamento e descarga de etanol hidratado, tentando aperfeiçoar
um sistema já existente. Foram levantadas as características e dimensões da planta em análise
e, em seguida, foi realizado um estudo dirigido, a fim de se quantificar as perdas de carga do
sistema, possibilitando a seleção e especificação do mesmo. De acordo com os dados, foram
apresentadas propostas para melhorias, como a substituição de equipamentos e acessórios,
possibilitando a operação de modo satisfatório e eficiente.
Palavras-chave: Perda de carga, projeto, melhoria.
ABSTRACT
This work presents a reflection on the centrifuges of pumps, which are a specific type
of turbomachinery, used mainly for the pumping of fluids, transferring them from one point to
the other. They are used in basic education systems, water distribution, buildings, among others.
Centrifugal pumps are designed to operate according to the variation and total head. In view of
this, the process of developing a pumping system for a fuel distributor with hydrated ethanol
loading and unloading was developed, searching for an existing system. The characteristics and
dimensions of the matrix under analysis were surveyed and then a directed study was carried
out with the objective of quantifying the system load losses, allowing a selection and updating
of the system. According to the data, proposals for improvements, such as the replacement of
equipment and accessories, enable a satisfactory and efficient operation.
Keywords: Load loss, design, perfect.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Representação de um caminhão tanque compartimentado. ....................................... 3
Figura 2 - Baias de Carregamento e Descarga. .......................................................................... 4
Figura 3 - Representação de todos os tipos de máquinas de fluxo. ............................................ 5
Figura 4 - Representação de uma bomba de engrenagem ......................................................... 7
Figura 5- Representação de uma bomba de palheta ................................................................... 8
Figura 6 - Representação de uma bomba parafuso ..................................................................... 9
Figura 7 - Representação de uma bomba parafuso ................................................................... 10
Figura 8 - Representação de uma bomba diafragma ................................................................ 11
Figura 9 - Representação de todos os tipos de escoamentos .................................................... 12
Figura 10 - Representação de uma bomba centrifuga .............................................................. 13
Figura 11 - Representação de uma instalação de bombeamento .............................................. 14
Figura 12 - As duas formas de instalar uma bomba: afogada e não afogada ........................... 15
Figura 13 - Representação de acessórios rosqueados ............................................................... 17
Figura 14 - Representação de acessórios soldados ................................................................... 18
Figura 15 - Representação de acessórios soldados ................................................................... 19
Figura 16 - Representação de uma válvula gaveta ................................................................... 20
Figura 17 - Representação de uma válvula gaveta ................................................................... 21
Figura 18 - Representação de uma válvula gaveta ................................................................... 22
Figura 19 - Representação de uma válvula gaveta ................................................................... 22
Figura 20 - Representação de filtro cesto simples .................................................................... 23
Figura 21 - Representação do medidor tipo turbina ................................................................. 24
Figura 22 - Representação do PT 100 ...................................................................................... 25
Figura 23 - Carregamento de Auto Tanque .............................................................................. 30
Figura 24 - Representação caminhões tanque .......................................................................... 31
Figura 25 - Representação das pás da bomba cavitada ............................................................ 34
Figura 26 - Escoamento laminar ............................................................................................... 38
Figura 27 - Escoamento turbulento .......................................................................................... 38
Figura 28 - Representação Diagrama de Moody ...................................................................... 40
Figura 29 - Velocidade econômica ........................................................................................... 43
Figura 30 - Representação da distribuidora de combustível..................................................... 44
Figura 31 - Verificação de trechos do tanque até a plataforma de carregamento .................... 46
Figura 32 – Perda de carga do filtro tipo cesto ......................................................................... 48
Figura 33 - Conversão de parâmetros ....................................................................................... 49
Figura 34 - Perda de carga válvula elétrica .............................................................................. 49
Figura 35 - Fator K de uma redução ......................................................................................... 50
Figura 36 - Fator K de uma ampliação ..................................................................................... 50
Figura 37- Modelo de bomba megachen .................................................................................. 53
Figura 38 - Verificação do rendimento da bomba .................................................................... 54
Figura 39 - Trechos tubulação descarga ................................................................................... 55
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Tipos de combustíveis naturais ............................................................................... 26
Tabela 2 - Rugosidade absoluta de materiais ........................................................................... 37
Tabela 3 - Representação de perda de carga de equipamentos por diâmetro de tubulação ...... 41
Tabela 4 - Dados para cálculos ................................................................................................. 45
Tabela 5 - Característica de cada trecho ................................................................................... 46
Tabela 6 - Acessórios trecho 1 ................................................................................................. 47
Tabela 7 - Resultados Trecho 1 ................................................................................................ 47
Tabela 8 - Acessórios trecho 2 ................................................................................................. 47
Tabela 9 - Resultados trecho 2 ................................................................................................. 47
Tabela 10 - Acessórios trecho 3 ............................................................................................... 48
Tabela 11 - Resultados trecho 3 ............................................................................................... 51
Tabela 12 - Trechos ideais para distribuidora .......................................................................... 52
Tabela 13 - Resultado trecho 1 ideal ........................................................................................ 52
Tabela 14 - Resultado trecho 2 ideal ........................................................................................ 52
Tabela 15 - Resultado trecho 3 ideal ........................................................................................ 52
Tabela 16 - Característica de cada trecho ................................................................................. 55
Tabela 17 - Acessórios trecho 1 ............................................................................................... 56
Tabela 18 - Resultados trecho 1 ............................................................................................... 56
Tabela 19 - Acessórios trecho 2 ............................................................................................... 56
Tabela 20 - Resultados trecho 2 ............................................................................................... 57
Sumário
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 1
2. DESENVOLVIMENTO ............................................................................................. 5
2.1 Máquinas de Fluxo ............................................................................................... 5
2.1.1 Máquinas deslocamento Positivo .................................................................. 6
2.1.2 Máquinas Rotativas ....................................................................................... 6
2.1.3 Máquinas Alternativa ..................................................................................... 9
2.1.4 Turbomáquinas ............................................................................................ 11
2.2 Bombeamento Hidráulico ................................................................................... 13
2.3 Posicionamento das bombas ............................................................................... 14
2.4 Tubulação Industrial ........................................................................................... 15
2.4.1 Materiais para tubulação industrial .............................................................. 15
2.4.2 Acessórios para tubulação industrial ........................................................... 16
2.4.3 Válvulas ....................................................................................................... 19
2.4.4 Filtro cesto Simplex ..................................................................................... 23
2.4.5 Medidor tipo Turbina ................................................................................... 23
2.4.6 Sensor de temperatura PT100 ...................................................................... 24
3. APRESENTAÇÃO ESTUDO DE CASO ................................................................ 26
3.1 Combustível ........................................................................................................ 26
3.1.1 Combustível Etanol Hidratado .................................................................... 27
3.1.2 Combustível Etanol Anidro ......................................................................... 27
3.1.3 Combustível Biodiesel ................................................................................. 28
3.1.4 Combustível Gasolina .................................................................................. 28
3.1.5 Combustível Diesel S500 e S10 .................................................................. 29
3.2 Operação de Carregamento ................................................................................. 29
3.3 Operação de Descarga ........................................................................................ 30
4. EQUACIONAMENTO ............................................................................................ 32
4.1 Equação de Bernoulli para escoamentos ............................................................ 32
4.2 Altura manométrica total .................................................................................... 32
4.3 Altura manométrica de recalque ......................................................................... 33
4.4 Altura manométrica de sucção ............................................................................ 33
4.5 Cavitação ............................................................................................................ 34
4.6 NPSH .................................................................................................................. 34
4.7 Perda de Carga .................................................................................................... 36
4.8 Viscosidade ......................................................................................................... 36
4.9 Rugosidade absoluta ........................................................................................... 37
4.10 Vazão ................................................................................................................ 37
4.11 Número de Reynolds ........................................................................................ 38
4.12 Fator de Atrito ................................................................................................... 39
4.13 Perda de carga localizada .................................................................................. 40
4.14 Perda de carga distribuída ................................................................................. 41
4.16 Velocidades recomendadas para recalque e sucção .......................................... 42
4.17 Potência de bomba ............................................................................................ 43
5. CASO ESTUDADO ................................................................................................. 44
6. RESULTADOS CARREGAMENTO ...................................................................... 46
6. 1 Cálculo de perdas carregamento ........................................................................ 47
6.1.1 Cálculo da altura manométrica total ............................................................ 51
6.1.2 Cálculo carregamento ideal ......................................................................... 51
6.1.1 Cálculo da altura manométrica total do carregamento ideal ....................... 53
6.2 Solução para o carregamento .............................................................................. 53
6.2.1 Solução: Troca da bomba e o motor ............................................................ 53
6. 3 Estudo da descarga ............................................................................................ 54
6.3.1 Cálculo descarga ideal ................................................................................. 56
6.3.2 Cálculo da altura manométrica total descarga ideal .................................... 57
6.4 Solução ideal descarga ........................................................................................ 58
6.4.1 Solução descarga ideal: troca da tubulação de sucção e recalque ............... 58
7. CONCLUSÃO .......................................................................................................... 59
1
1. INTRODUÇÃO
Ao decorrer da história, a relação do homem e a natureza foi protagonista por várias
transformações importantes. A procura por uma condição de vida mais confortável acabou
encaminhando o homem a várias fontes de combustíveis. (Brasil Escola, 2013)
Os primeiros combustíveis foram a combustão da madeira ou varas há cerca de 2
milhões de anos. Durante a maior parte, a madeira foi a fonte de energia fundamental para
afastar temperaturas extremas no inverno. (Brasil Escola, 2013)
Com a revolução industrial, a exploração das fontes de energia sofreu uma de suas
maiores revolução. Com a produção crescendo em larga escala motivou a buscas por novas
energias. Neste período, o carvão mineral se tornou o principal para o funcionamento dos
primeiros motores movidos a vapor. (Brasil Escola, 2013)
Nos primeiros anos do século XX, a popularização dos automóveis ampliou ainda mais
a necessidade internacional por combustíveis de alto desempenho. Sendo assim os líquidos
usados eram encontrados em origem vegetal ou animal, como álcool, óleos vegetais e gorduras.
No final do século XX surgem os primeiros combustíveis minerais, considerados fósseis, são
os derivados do petróleo como óleo diesel, o querosene e a gasolina. (Brasil Escola, 2013)
Com as crises de petróleo, houve novas buscas por fontes de energia. Por meio da
fermentação da sacarose, o álcool anidro passou a ser utilizado em carros. Este combustível
ganhou uma forte presença no mercado internacional. (Brasil Escola, 2013)
A reação do Brasil nessas duas crises foi criar um desenvolvimento de tecnologias de
exploração e produção de petróleo e da implementação. Sendo assim, em novembro de 1974
surgiu o Programa Nacional do Álcool (PNA), cuja segunda etapa denominou-se “Programa do
Álcool”, quando o governo passou a incentivar as montadoras de veículos a produzir
automóveis movidos a álcool e os consumidores a adquiri-los. O etanol é o combustível que
ganhou um grande espaço no mercado a partir de 1980 e nos dias de hoje tem grande consumo
no mercado por ser menos poluente. (Brasil Escola, 2013)
No Brasil existe uma rede de distribuição de combustível, possuindo na região norte 39
distribuidoras de combustíveis com uma capacidade de 12709 m³ de biodiesel, 66316 m³ de
etanol e 447583 m³ de derivados do petróleo, 41 distribuidoras no nordeste com uma tancagem
de 18783 m³ de biodiesel, 118572 m³ de etanol, 556921 m³ de diesel, 86 no sudeste tem 57100
m³ de biodiesel, 371813 m³ de etanol e 1017433 m³ de derivados do petróleo. (ANP, 2012).
2
No mercado de petróleo, downstream é o setor que compreende o transporte, refino ou
processamento, distribuição e comercialização de petróleo, seus derivados e gás natural. Neste
mercado, a distribuição é o seguimento de suprimentos que antecede a venda do produto ao
consumidor. A distribuição é a atividade inerente a comercialização por atacado com rede
varejista ou em grandes consumidoras de combustíveis, lubrificantes, asfaltos e gás liqüefeito
envasado, englobando a aquisição, armazenamento, transporte, comercialização e a controle de
qualidade dos combustíveis líquidos, derivados de petróleo, álcool combustível. (Maligno,
2005)
Em uma empresa distribuidora de combustível pode ter diversas bases de distribuição,
e essas bases podem fornecer centenas de clientes. Estes clientes se encontram geograficamente
próximos à base e cada um tem características especificas. O trabalho que se encontra a gestão
de logística nas distribuidoras para otimizar o atendimento e os seus clientes, verificando
simultaneamente o suprimento da distribuidora, a armazenagem e a distribuição entre as bases.
(Maligo, 2005)
Para o setor brasileiro de combustíveis, a liberdade de atuar em todos os itens do
mercado é recente. A regulamentação que vigorou até meados da década passada ingressou a
logística das empresas distribuidoras e fixava os preços dos combustíveis. Sendo assim, as
companhias só vieram a investir no desenvolvimento da sua força logística quando o governo
promoveu uma desregulamentação do setor. (Maligo, 2005)
O tema deste trabalho de conclusão de curso está relacionado a etapa final da
comercialização de combustível: o carregamento e descargas de caminhões-tanque. A entrega
de combustíveis aos clientes sempre é feita por caminhões-tanque. Este veículo tem vários
tanques menores, que são denominados compartimentos. Na entrega e na descarga os
caminhões precisam estar no volume determinado na compra ou venda do produto. A
quantidade do compartimento é de importância de logística, pois precisa ser feito uma estratégia
na entrega de cada compartimento e ser feito um levantamento de necessidade do cliente,
conforme apresentado na figura 1.
3
Figura 1 - Representação de um caminhão tanque compartimentado.
Fonte: Caminhões e carreta (2017)
O objetivo do trabalho é estudar a operação de carregamento e descarga que possui
várias dificuldades para uma operação rápida e com segurança. Analise desta atividade é
influenciado por fatores comportamentais, físicos, climáticos e operacionais. Dentre os fatores,
tem-se: o treinamento dos motoristas, a vazão das bombas, a tubulação do terminal de
distribuição, a capacidade da demanda do terminal, o procedimento operacional, o tempo gasto
de entrada e saída do caminhão, conferência de qualidade, etc.
O terminal deve estar capacitado a receber os produtos e distribuir de maneira que não
é esgotado todo o combustível. Para isso, se faz necessário um estudo de demanda da região
para avaliar se é possível suprir toda a necessidade da vizinhança. Depois de feito esse estudo,
é medido a capacidade de tempo de operação do terminal, que consiste em quanto tempo o
terminal é capaz de operar com suas restrições de tubulações, bombas, pontos de carregamentos
e descarga sem nenhuma interferência.
Nos terminais de distribuição de combustível, os locais onde são realizadas as operações
de descarga e carregamento de combustível são denominados baias, os quais existem
equipamentos de enchimento de caminhões tanques e de escorrimento de produto. Conforme
apresentado na figura 2, nas baias de carregamento e descarga existem braços de carregamento
e mangotes de descarga para serem conectados AO caminhão e um fluxograma de válvulas de
descarga de produto que é uma sequência de válvulas que precisam ser abertas para efetuar a
descarga.
4
Figura 2 - Baias de Carregamento e Descarga.
Fonte: Chatree12 (2014)
Para se descarregar um caminhão tanque é necessário fazer conferência física do
caminhão com finalidade de verificar se o produto foi violado. O próximo passo é o controle
de qualidade do produto. Cada produto tem uma especificação que deve ser verificada antes do
caminhão ser aprovado para descarga. Cada produto tem suas características visuais que
precisam ser seguidas e aspectos químicos que precisam estar nos padrões da companhia. Com
o produto na qualidade específica e sem nenhuma violação, é conectado os mangotes nas bocas
de descarga e iniciado abertura para descarga do caminhão.
O caminhão tanque para ser carregado é necessário passar por uma conferência física
que tem a finalidade de verificar pontos onde o produto pode ser violado. O caminhão precisa
estar todo lacrado para que não ocorra nenhum derrame de produto. É utilizado um equipamento
chamado braço de carregamento que é colocado na boca de visita superior do compartimento
que faz o enchimento da carga.
Nestas duas operações que todos os terminais de combustíveis realizam diariamente
existem duas variáveis que vão ser estudadas neste projeto: vazão e perdas de carga. Será
realizado um estudo referente às vazões das bombas e os diâmetros das tubulações em um
terminal de combustível, a fim de melhorar o rendimento na operação de descarga e
carregamento com um baixo investimento, tentando buscar o máximo de aproveitamento e
agilidade na operação, gerando uma diminuição de tempo, o que proporciona lucro para a
companhia.
5
2. DESENVOLVIMENTO
2.1 Máquinas de Fluxo
Máquina de fluxo é o equipamento que promove uma troca de energia de um sistema
mecânico para um fluido, transformando a energia mecânica em energia para o fluido ou
energia do fluido em energia mecânica. (Brasil A.N., 2010)
Nas máquinas de fluxo, denominadas de máquinas mecânicas, o fluido nunca está
confinado, mas sempre está em fluxo e é constantemente submetido a trocas de energia
principalmente devido a efeitos mecânicos. Como exemplo de máquinas de fluxo as turbinas
hidráulicas, ventiladores, turbinas a vapor, a gás, turbo compressores, etc. (Brasil A.N., 2010)
Na figura 3 tem todos os tipos de maquinas de fluxo e suas classificações, sendo elas de
densidades (𝑝) constante ou não.
Figura 3 - Representação de todos os tipos de máquinas de fluxo.
Fonte: N. Viana (2014)
6
2.1.1 Máquinas deslocamento Positivo
Nestes equipamentos uma quantidade fixa de fluido é confinada durante a sua passagem
dentro da máquina, sendo assim submetido a trocas de pressões em razão da variação do volume
interno do recipiente que está contido. Caso a máquina pare de funcionar, o fluido de operação
permanece contido em seu interior indefinitivamente. Também denominada de máquina
estática a energia transferida é resultado da pressão, sendo pequena a energia cinética
transferida, sendo desprezada. (Brasil A.N., 2010)
Nas especificações da máquina de deslocamento positivo existem duas ramificações de
tipos, o primeiro são as maquinas rotativas como bomba de palheta, bomba de engrenagem,
bomba de parafuso, etc. Na segunda ramificação são as máquinas alternativas que são as
bombas de pistão, diafragma, etc. (Brasil A.N., 2010)
2.1.2 Máquinas Rotativas
2.1.2.1 Bomba de Engrenagem
A bomba de engrenagem consiste basicamente de uma carcaça com orifício de entrada
e saída, e um mecanismo de bombeamento composto de duas engrenagem. Uma das
engrenagens é a engrenagem motora que é ligada no eixo que é conectado a um elemento
acionador principal. A outra engrenagem é a engrenagem movida. (Brasil A.N., 2010)
No lado de entrada, conforme a figura 4, os dentes de engrenagem desengrenam o fluido
que entra na bomba e é conduzido pelo espaço existente entre os dentes e a carcaça, para o lado
de saída onde os dentes das engrenagens força o fluido para fora. (Brasil A.N., 2010)
As vantagens deste equipamento é uma eficiência para pequenos projetos,
excepcionalmente leve e compacta para sua capacidade, eficiente a altas pressões de operação,
resiste a efeitos de cavitação, resiste em baixas temperaturas de operação e compatibilidade
com vários fluidos. (Brasil A.N., 2010)
7
Figura 4 - Representação de uma bomba de engrenagem
Fonte: Brasil A.N. (2010)
2.1.2.2 Bomba de Palheta
A bomba de palheta é uma bomba de deslocamento positivo que é montada em rotor
que gira dentro de uma cavidade. Em alguns casos estas palhetas podem ser de comprimento
variável ou tensionados para manter tensionadas para manter o contato com as paredes na qual
a bomba gira. (Theriault, 2001)
A bomba mais simples do tipo de palheta é com um rotor circular que gira dentro de
uma cavidade menor, conforme a figura 5. Os centros destes dois círculos descentrados
causando assim excentricidade. As palhetas ficam livres para entrar e sair do rotor e selo em
todas margens com a criação de uma câmara de palhetas que fazem o trabalho de bombeamento.
No lado da entrada da bomba, as câmaras de palhetas aumentam o volume, fazendo com que o
líquido entre forçado pela pressão de entrada. No lado da descarga da bomba, as palhetas estão
diminuindo em volume, forçando o fluido. (Theriault, 2001)
Uso comum de bomba de palheta é na área de automotivos incluindo bomba de câmbio
automático. A bomba de palheta tem baixo nível de ruído, fornece uma vazão mais uniforme
ao fluido de trabalho minimizando as oscilações nas linhas dos sistemas hidráulico e grande
tolerância e contaminação do sistema. (Brasil A.N., 2010)
8
Figura 5- Representação de uma bomba de palheta
Fonte: Brasil A.N., (2010)
2.1.2.3 Bomba de Parafuso
As bombas de parafuso são de deslocamento positivo, o princípio desta bomba trata-se
de uma rosca em um tubo, conforme a figura 6, que mergulha em uma das suas extremidades
no material que deseja ser transportado, sendo assim a bomba gira, em conjunto o material entra
pela rosca e é transportado ao longo do eixo até a parte superior. (Rufatto, 2017)
As bombas de parafuso permite elevar desde pequenas a altas vazões em alturas
relativamente baixas, sendo muito utilizada em campos de saneamento para reservatórios de
esgoto, recirculação de lados ativados, elevação de água, controle de inundações pluviais e
bombeamento em plantas de tratamento de resíduos industriais. Possui um baixo custo de
manutenção, pois a baixa rotação de trabalho, o desgaste por abração de sólidos é mínimo.
(Rufatto, 2017)
Essa tecnologia possui a característica de permitir grande flexibilidade operacional,
absorvendo grandes variações de vazões e com baixo consumo energético comparado com
instalações de bomba centrifuga. (Rufatto, 2017)
9
Figura 6 - Representação de uma bomba parafuso
Fonte: NEI (2009)
2.1.3 Máquinas Alternativa
2.1.3.1 Bomba Pistão
As bombas de pistão gera uma ação de bombeamento, fazendo que os pistões se alterem
dentro de um tambor cilíndrico. Os mecanismos consistem em um tambor de cilindro, pistões
com sapatas, placas de deslizamentos, sapata, mola de sapata e placa de orifício. (Brasil A.N.,
2010)
Um tambor de cilindro é adaptado com um pistão. A placa de deslizamento é
posicionado a um certo ângulo. A sapata do pistão corre na superfície da placa de deslizamento.
(Brasil A.N., 2010)
Quando um tambor de cilindro gira, a sapata do pistão segue a superfície da placa de
deslizamento (a placa de deslizamento não gira). Uma vez que a placa de deslizamento está a
um certo ângulo o pistão alterna dentro do cilindro. Em uma das metades do ciclo de rotação,
o pistão sai do bloco do cilindro e gera um volume crescente. Na outra metade do ciclo de
rotação, este pistão entra no bloco e gera um volume decrescente. (Brasil A.N., 2010)
Na prática, o tambor do cilindro é adaptado com muitos pistões. As sapatas dos pistões
são forçadas contra a superfície da placa de deslizamento pela sapata e pela mola. Para separar
o fluido que entra do fluido que sai, uma placa de orifício é colocada na extremidade do bloco
do cilindro, que fica do lado oposto ao da placa de deslizamento. (N. Brasil, 2010)
Um eixo é ligado ao tambor do cilindro, conforme a figura 7, que o conecta ao elemento
acionado. Este eixo pode ficar localizado na extremidade do bloco, onde há fluxo, ou, como
10
acontece mais, ele pode ser posicionado na extremidade da placa de deslizamento. Neste caso,
a placa de deslizamento e a sapata têm um furo nos seus centros para receber o eixo. Se o eixo
estiver posicionado na outra extremidade, a placa de orifício tem o furo do eixo. (Brasil A.N.,
2010)
As vantagens da bomba de pistão é o baixo nível de ruído, uma baixa pressão de alívio,
suporta mudanças extremas de pressão que geram efeito mínimo no desempenho e podem ser
usadas para fluidos viscosos, elevados volumes de gases, sólidos se forem projetadas para isso.
(Brasil A.N., 2010)
Figura 7 - Representação de uma bomba parafuso
Fonte: Hidrautec (2017)
2.1.3.2 Bomba Diafragma
A bomba diafragma é uma bomba de deslocamento positivo, do modulo alternativo, a
bomba possui um diafragma que faz um movimento alternativo que gera uma ação de
bombeamento. O diafragma pode ser acionado por um liquido ou ar. (Blog Mecânico Industrial,
2011)
Com a ação dos atuadores, o diafragma retrai e contrai dentro da câmara de liquido.
Quando o diagrama se projeta para fora da câmara de líquido, o volume da câmara aumenta e
a pressão dentro da câmara diminui, fazendo com que a válvula de entrada abra e o liquido é
retirado. Quando o diafragma se projeta na câmara, o volume da câmara diminui e aumenta a
pressão que abre a válvula de saída e o líquido é bombeado para fora da câmara. Este
11
movimento do diafragma pode ser obtido por um êmbolo hidráulico ou por pressão de ar. (Blog
Mecânico Industrial, 2011)
As bombas diafragmas de ar são uma bomba de transferência muito eficiente. Estas
bombas podem bombear líquidos de diversas viscosidades sendo ela baixa, alta ou media.
Também são projetadas para bombear líquidos que tenham resíduos de sólidos em sua
composição. (Blog Mecânico Industrial, 2011)
A maioria das bombas de diafragma de ar necessita de uma instalação que tenha uma
entrada de ar para operar de forma eficiente, estes tipos de bombas não tendem a bombear com
muita precisão na sua extremidade inferior. (Blog Mecânico Industrial, 2011)
Figura 8 - Representação de uma bomba diafragma
Fonte: Indessur (2015)
2.1.4 Turbomáquinas
Turbomáquinas ou máquinas dinâmicas, o fluido não se encontra em nenhum momento
confinado dentro da carcaça da máquina, mas sim num fluxo através dela, estando sujeito a
variações de energia devido aos efeitos dinâmicos da corrente. Neste equipamento o fluxo é
orientado por meio de laminas ou aletas ligadas a um elemento chamando rotor. A energia
transferida é definitivamente cinética, através da variação de velocidade do fluido entre as pás,
deste a entrada e saída do rotor e diferencial de pressão. (Brasil A.N., 2010)
Existem 4 tipos de direções de escoamento em turbomáquinas sendo eles axiais, radiais,
mista ou diagonal e tangencial. O axial é um escoamento na direção do eixo, o fluido entre e
sai do rotor na direção axial, utilizado em grandes vazões e em pequenas alturas. Já o radial o
escoamento predominante é na direção radial, o fluido entra no rotor na direção axial e sai na
direção radial. Sua principal característica o recalque de pequenas vazões a grandes alturas e
12
predominante em bombas centrifugas. No misto ou diagonal o escoamento é na direção
diagonal, parte axial e parte radial. Por fim, o escoamento tangencial é na direção tangencial do
rotor conforme a figura 9. (Brasil A.N., 2010)
Existem 3 tipos de rotor: sendo eles o aberto, semi-aberto e o fechado. O rotor aberto é
para bombas de pequenas dimensões, baixa resistência e baixo rendimento. Já no rotor semi-
aberto tem-se apenas o disco onde é fixado as aletas. No fechado que é usado para bombear
líquidos limpos, são discos com as palhetas fixadas em ambos os lados evitando a recirculação
de água, ou seja, o retorno de água a boca.
Figura 9 - Representação de todos os tipos de escoamentos
Fonte: Brasil A.N. (2010)
2.1.4.1 Bombas Centrifugas
Nas bombas centrifugas a energia se desloca ao fluido pela parte giratória do eixo onde
é instalado o rotor. A capacidade do rotor e suas propriedades são capazes de modificar a forma
de cada bomba centrifuga, influenciando principalmente a maneira de conduzir a energia até o
fluido. (Souza, 2014)
A bomba é acionada mecanicamente por um eixo rotativo, conforme figura 10, a rotação
do rotor da bomba transfere energia para o fluido através das palhetas do rotor. O fluido de
sucção entra no rotor que possui uma cavidade de diâmetro menor internar, a partir de onde
escoa em direção a diâmetros maiores entre a palheta do rotor. (Souza, 2014)
Uma bomba centrifuga necessita ser escolhida em vista de sua aplicação: a simples
instalação de uma bomba centrifuga qualquer na instalação não é garantia do funcionamento
perfeito. A aplicação requer adequação entre a bomba instalada, com o sistema de tubulação e
do fluido a ser bombeado. (Souza, 2014)
13
De acordo com Gomes (2010) a bomba centrífuga é o equipamento utilizado para
transportar líquidos no saneamento básico, na irrigação de lavouras, nos edifícios residenciais
e na indústria, por operarem com sensível variação de vazão e pressão.
Figura 10 - Representação de uma bomba centrifuga
Fonte: Mecânica Industrial (2015)
2.2 Bombeamento Hidráulico
As bombas são utilizadas em circuitos hidráulicos, conforme figura 11, para converter
energia mecânica em hidráulica. A força mecânica cria um vácuo parcial na entrada da bomba,
o que faz com que a pressão atmosférica force o fluido do tanque, através da linha de sucção a
penetrar na bomba. A bomba passará o fluido para a abertura de descarga, forçando-o através
do sistema hidráulico. (Brasil A.N., 2010)
As bombas são classificas, geralmente, por capacidade de pressão máxima de trabalho,
pelo seu deslocamento, em litros por minuto, sua rotação, altura manométrica, diâmetro de
sucção e diâmetro de recalque. (Brasil A.N., 2010)
14
Figura 11 - Representação de uma instalação de bombeamento
Fonte: Brasil A.N. (2010)
2.3 Posicionamento das bombas
Existem duas formas de instalar uma bomba em relação ao nível do reservatório de
sucção em sistema de recalque. A primeira forma é instalar uma bomba abaixo do nível da água,
que assim a bomba se torna afogada e de sucção positiva. A segunda forma é quando o nível da
bomba esta superior ao nível do reservatório, que assim a bomba se torna não afogada e de
sucção negativa. (Tsutiya, 2004)
Bombas afogadas são mais fácil de operação, pois a água escoa naturalmente para dentro
da bomba, não sendo necessário realizar o escorvamento da bomba, que é o processo de
introduzir água até encher a bomba e o tudo de sucção, para que seja possível iniciar o processo
de bombeamento. (Macintyre,1997)
15
Figura 12 - As duas formas de instalar uma bomba: afogada e não afogada
Fonte: Tsutiya, (2004)
2.4 Tubulação Industrial
Chama-se tubulações de processo, as tubulações do fluido que constituem na tarefa de
processamento, armazenamento ou na distribuição na empresa. Como em tubulações de óleos
em refinaria, terminais e instalações de armazenamento ou distribuição de produtos de petróleo.
(Senai, 2012)
Existem dois tipos de tubulação: tubulação no interior das áreas de trabalho ou
processamento, utilizada no processamento e na drenagem. A distinção deste tipo é muito
grande em muitos casos para um bom serviço, a relação de materiais, o arranjo de tubulação,
tipos de suporte e o grau é necessário. Já as tubulações fora da instalação industrial abrange
tubulação de transporte e distribuição. (Portal Metálica, 2011)
Tubulação é um conjunto de tubos e acessórios voltados ao processo industrial,
principalmente para distribuição de gases, óleos, vapores, lubrificantes e demais líquidos
industriais e, chegam a representar 70% do custo dos equipamentos, ou 25% do custo total da
instalação. (Portal Metálica, 2011)
2.4.1 Materiais para tubulação industrial
A ASTM é o órgão americano responsável pela normatização e padronização de
materiais para várias áreas das industrias totalizando 500 tipos de materiais utilizados na
16
fabricação de tubulação industrial. Dentre os materiais catalogados pela ASTM, destaca-se os
mais utilizados: tubo metálico (ferroso e não ferrosos). (Senai, 2012)
Essa gama de materiais exige um maior reparo para a melhor escolha antes da fabricação
do tubo. Pois existem diversos fatores que influenciam e se opõem, o que torna essa seleção
ainda mais complexa. Diversos itens que atuam nesta decisão, como fluido a ser conduzido,
condições de serviço, nível de tensão do material, natureza do esforço mecânico,
disponibilidade do material, sistemas de ligações, custo do material, segurança, facilidade de
fabricação e montagem. (Tubo Metal, 2013)
O ferro é a composição mais importante para o grupo de matérias ferrosos, as ligas
ferrosas são extremamente versáteis, no sentindo em que elas podem ser adaptadas em uma
ampla variedade de propriedades mecânicas e físicas, uma desvantagem desta liga é que é muito
sensível a corrosão. Os aços com um baixo teor de carbono, possuem uma ductilidade e uma
tenacidade incrível, são fáceis de usinar e soldar e são aços mais baratos para serem produzidos
sendo encontrados em automóveis, chapas de tubulação e edificação. Já os aços com médio teor
de carbono possuem uma elevada resistência a abrasão e tenacidade, sendo aplicado em rodas
de trem, engrenagem e virabrequins. Os aços de alto teor de carbono são mais duros, mais
resistentes, porem são menos dúcteis dentre todos os outros aços, são utilizados como
ferramentas de corte, fabricação de facas, laminas de serras para metais e molas. (Samuels,
2000)
As ligas metálicas dos não ferrosos não tem como predominância o ferro, sendo ligas
de cobre que é mais mole e dúctil sendo difícil de ser usinado. As ligas de cobre e zinco são
dúcteis e facilmente submetidos a deformação plástica a frio. As ligas de latão são mais duráveis
e mais resistentes. As ligas de bronze são mais resistência que a liga de latão e possui um nível
de resistência a corrosão. A liga de alumínio que é caracterizada por uma densidade baixa,
condutividade elétrica e térmica elevada e uma resistência a corrosão em atmosfera ambiente.
(Samuels, 2000)
2.4.2 Acessórios para tubulação industrial
São componentes utilizados em sistemas de tubulação e encanamentos para
conectar diretamente com tubos ou partes de tubulação, para se adaptar em diferentes formas e
tamanhos, regulando também o fluxo de vazão. Estas peças podem ser caras, e requer tempo
para instalação, assim que são uma parte trivial de sistemas de escoamento e canalização. (Cpm,
2010)
17
2.4.2.1 Meios de ligação de tubulações
A diversos meios usados para conectar tubulações, mas esses itens também são
utilizados para conectar as válvulas aos tubos, conexões e demais acessórios de tubulação aos
equipamentos. (Telles, 2001)
Os principais meios de ligações de tubos são os seguintes:
- Ligações Rosqueadas
- Ligações Soldadas
- Ligações Flangeadas
A escolha do melhor meio de ligação é feita por vários fatores entre os quais: material
e diâmetro de tubulação, finalidade e localização, custos, pressão de trabalho, fluido contigo,
necessidade ou não de desmontagem, existência ou não de revestimento interno. (Telles, 2001)
2.4.2.2 Ligações Rosqueadas
Os acessórios rosqueados são usados em tubulações prediais e industrias secundarias
(água, ar, condensado de baixa pressão, etc) todas até 4”. Utilizado também esses acessórios
nas tubulações que devido ao tipo de material e serviço, conforme figura 13, que sejam
permitidas ligações rosqueadas. (Cpm, 2010)
Figura 13 - Representação de acessórios rosqueados
Fontes: CPM, 2010
Está união é utilizada quando se deseja que a ligação seja facilmente desmontável, ou
em arranjos fechados, onde sem a existência de uniões o rosqueamento seria impossível. A
18
vedação entre duas meias uniões é conseguida por meio de uma gaxeta que é comprimida com
o aperto da porca, ou por meio de sedes metálicas usinadas. (Telles, 2001)
2.4.2.3 Ligações Soldadas
São a maioria dos acessórios utilizados em tubulações maiores de 2” no meio industrial.
São fabricados em aço carbono, aços-ligas e em aços inoxidáveis, a partir de tubos e chapas.
Todos os acessórios externos com os chanfros padrões para a possível a solda. A espessura da
parede dos acessórios devem ser igual ao do tubo para permitir a solda perfeita. (Cpm, 2010)
Os diferente tipos de acessórios utilizados em diferentes casos, conforme a figura 14.
Figura 14 - Representação de acessórios soldados
Fontes: CPM, 2010
As principais desvantagens, são as dificuldades na desmontagem da tubulação para
melhorias e a necessidade de mão de obra especializada para a sua execução, e por esta operação
ser um trabalho a quente, que em muitos dos casos o fluido é inflamável ser torna mais difícil
o trabalho, visando cuidados com segurança particular dos trabalhadores e também a segurança
ambiental com combustíveis explosivos. (Telles, 2001)
2.4.2.4 Ligações Flangeadas
Os acessórios flangeados, conforme a figura 15, são fabricados principalmente de ferro
fundido e são de uso bem mais raro do que os de flanges e acessórios já citados.
19
Figura 15 - Representação de acessórios soldados
Fontes: CPM, 2010
As ligações flangeadas, com uma característica de fácil desmontagem é empregada em
principalmente para tubos de 1” ou maiores, a ligação flangeada é responsável de ligar os tubos
as válvulas e equipamentos como bomba, compressores, tanque, vasos comunicantes ou pontos
que precisam de uma facilidade na desmontagem na tubulação em casos de manutenção.
(Telles, 2001)
A ligação por flange também é muito utilizada em tubulação com revestimentos
internos. Para esta tubulação as ligações flangeadas, ainda que mais caras, podem ser a melhor
solução, principalmente em trabalhos com alta pressão, porque permite a perfeita continuidade
do revestimento, desde que seja flange a flange. Em alguns casos estas tubulações precisam de
limpezas por conta do fluido ser muito sujo. (Cpm, 2010)
2.4.3 Válvulas
As válvulas são dispositivos que estabelecem controle e interrompem o fluxo em uma
tubulação. São os acessórios mais importantes na tubulação, por isso deve ter muito cuidado
em sua seleção, especificação e local de instalação. Em instalações é necessário ter o sempre o
menor número possível de válvulas, compatível com a sua característica, porque as válvulas
são equipamentos caros, onde tem a possibilidade de vazamentos (em juntas, gaxetas, etc) e
que introduzem uma grande perda de carga na linha de distribuição. As válvulas hoje
representam certa de 8% do custo total de uma instalação e sua localização precisa ser estudada
com muito cuidado, para que a manobra de manutenção seja fácil. (CPM, 2010)
20
2.4.3.1 Classificação de Válvulas
Existe uma variedade de classificações de válvulas, algumas de uso geral, outras com
finalidade específica para a empresa. São os seguintes tipos mais importantes de válvulas:
1. Válvula de Bloqueio
- Válvula Gaveta
- Válvula de macho
- Válvula de esfera
- Válvula de comporta
Estas válvulas são utilizadas para interromper o fluxo, podem ser utilizadas em indústria
onde existem condições de corrosão aliadas a pressão e temperaturas altas. São simples de
fechamento rápido, conforme figura 16. Estas válvulas costumam ser do mesmo tamanho
nominal da tubulação. (Matulaitis, 2014)
Figura 16 - Representação de uma válvula gaveta
Fontes: Matulaitis, 2014
2. Válvulas de Regulagem
- Válvula Globo
- Válvula de Agulha
- Válvula de controle
- Válvula de borboleta
21
- Válvula de diafragma.
- Válvula elétrica reguladora de vazão
Válvula de regulagem são destinadas para controlar o fluxo, podendo por isso trabalhar
em qualquer posição de fechamento parcial. Uma classe de válvula que pode ser encontrada em
qualquer tipo de tamanho e aplicada em diferentes níveis de temperatura e pressão, conforme
figura 17. (Cpm, 2010)
Figura 17 - Representação de uma válvula gaveta
Fontes: CPM, 2010
3. Válvulas de Prevenções de fluxo.
- Válvulas de retenção
- Válvulas de retenção e fechamento
- Válvulas de pé
A característica dessa classe de válvula é a prevenção automática do retorno do fluxo na
tubulação, conforme figura 18. Existem várias formas para atender a variadas condições,
exemplo como pulsante, movimento horizontal ou vertical. Existem diferentes tipos de tamanho
e são aplicadas em ampla faixa de pressão e de temperatura. Uma utilidade frequente desse tipo
de válvula é ser utilizada para manter o liquido na linha de recalque de bombas, fazendo com
que ele não retorne. (Telles, 2001)
22
Figura 18 - Representação de uma válvula gaveta
Fontes: Telles, 2001
4. Válvula que controla pressão de jusante e montante
- Válvula de alívio
- Válvula de excesso de vazão
- Válvula de contrapressão
- Válvula quebra-vácuo
- Válvula reguladora de pressão
- Válvula pneumática
São válvulas de segurança e de proteção com a finalidade de aguentar as várias pressões
excessivas dos fluidos de trabalho. Estas válvulas precisam ser inspecionadas periodicamente,
conforme figura 19, para ter certeza do seu funcionamento e seu perfeito estado, pois em uma
falha deste equipamento, pode se resultar em um grande desastre para a empresa. (Matulaitis,
2014)
Figura 19 - Representação de uma válvula gaveta
Fontes: Matulaitis, 2014
23
2.4.4 Filtro cesto Simplex
O filtro tipo cesto simplex é basicamente utilizado para a proteção de equipamentos
como bombas, medidores de vazão, bicos spray, sistemas de refrigeração entre outros. O filtro
dispensa qualquer uso de ferramenta para manutenção. Possui um corpo único e robusto com
duas câmaras de filtragem interligadas por uma válvula central para o desvio do fluxo para uma
câmara a outra, conforme a figura 20. A vedação é feita através de anel “O” que garante a
perfeita vedação. (Pro Mach, 2018)
Figura 20 - Representação de filtro cesto simples
Fonte: Purifil, 2014
2.4.5 Medidor tipo Turbina
O medidor de vazão tipo turbina é basicamente um rotor provido de palhetas suspenso
na corrente do fluido por um eixo de rotação paralelo a direção do fluido. O medidor é acoplado
diretamente na tubulação do fluido através de conexões de rosca ou flange. Com o diâmetro até
de 12”, este medidor é utilizado para medir a vazão do fluido na linha de processo podendo ser
fabricado de diversas maneiras para atender a imensa gama de tipos de fluidos. (Incontrol, 2016)
O fluido que passa no interior da tubulação aciona um rotor montado axialmente dentro
do medidor de vazão. A velocidade que gira esse rotor é proporcional à velocidade de
deslocamento do fluido no processo. Um sensor acoplado dentro do corpo do medidor,
conforme figura 21, tem o seu campo magnético alterado a cada passagem de uma das pás do
rotor, gerando um sinal elétrico que é amplificado e processado na forma de frequência ou
24
corrente. Um indicador digital, pré-determinado e totalizador, interpreta este sinal e contabiliza
a totalização de litros passado pelo medidor. (Contech, 2015)
Figura 21 - Representação do medidor tipo turbina
Fonte: Incontrol, 2016
2.4.6 Sensor de temperatura PT100
A termorresistência é um instrumento que consegue reconhecer a temperatura de um
ambiente, fazendo relação com a resistência elétrica do material e a sua temperatura. A
termorresistência, a maior parte das vezes, é feita de platina. Quando se fala de uma
termorresistência ela é identificada pelo material que a constitui e pela resistência que apresenta
a 0°C. (Unicamp, 2002)
O PT100 uns dos controladores de temperatura mais conhecido é constituído por uma
bainha metálica, conforme a figura 22, que protege o elemento resistivo que permite a
verificação do sinal de saída do aparelho. O elemento PT100 é feito com um material puro cuja
sua resistência varia conforme a variação de temperatura. Está variação de resistência é o que
apresenta a temperatura na linha do processo. (Termopares, 2013)
25
Figura 22 - Representação do PT 100
Fonte: Termopares, 2016
A vantagem da utilização do PT100 é que um dos sensores mais precisos que temos hoje
no mercado. Ele proporciona uma precisão de qualidade e fornece excelentes estabilidades e
repetibilidade. (Omega, 2015)
26
3. APRESENTAÇÃO ESTUDO DE CASO
Neste capitulo será apresentado de forma resumida todos os combustíveis que a
distribuidora comercializa.
3.1 Combustível
O combustível é uma substância que reage com o oxigênio liberando energia, utilizado
de modo vigoroso, na forma de calor, chamas e gases. Libertam a energia nelas contidas em
forma de energia potência a uma forma de utilizável. Está forma de energia é utilizado em
usinas termoelétricas ou para acionar motores de veículos. (Brian, 2000)
O poder calorífico de um combustível é dado pelo número de calorias desprendida na
queima do mesmo. Os combustíveis são classificados segundo os estados em que se apresenta
(solido, liquido ou gasosos). (Portal Francisco, 2010)
Tabela 1 - Tipos de combustíveis naturais
Estado Físico Combustíveis Combustíveis Artificias
Sólido Lenha, turfa, carvão Coque, briquetes, carvão vegetal, tortas vegetais.
Líquido Petróleo Produtos de destilação de petróleo de alcatrão: álcool,
gasolina sintética.
Gasoso Gás Natural Hidrogênio, acetileno, propano, butano, gás de
iluminação, gás de gasogênio, gás de alto.
Fonte: Fuel Economy, 2010
Os principais combustíveis solidos é a matéria e os produtos de sua decomposição
natural, a turfa e o carvão. Para que um sólido possa ter valor como combustível é necessário
que haja um poder calorifico tão elevado quanto possível e queime com facilidade. (Ceeeta,
2012)
O combustível líquido tem certas vantagens em comparação com os sólidos, tais como
poder calorifico elevado, maior facilidade e economia de armazenagem e fácil controle de
consumo. A maioria dos combustíveis líquidos são obtidos a partir do petróleo (gasolina,
querosene, óleo diesel e álcool). (Brasil escola, 2013)
O combustível gasoso tem um baixo custo, porque são obtidos como subprodutos, são
combustíveis mais homogêneos porque se misturam melhor com o ar. Esta particularidade
contribui para uma distribuição melhor. (Brasil escola, 2013)
27
3.1.1 Combustível Etanol Hidratado
Em postos de combustível, o álcool hidratado é aquele vendido como etanol comum, ou
apenas etanol. No Brasil, ele é feito principalmente através da fermentação da cana-de-açúcar
mas também podendo ser obtido através de outros vegetais. (Nova Cana, 2013)
O álcool precisa passar por várias series de processos e pré-requisitos, chamados de
especificações estabelecidas pela Agência Nacional de Petróleo (ANP). Estas especificações
constam que ele precisa ser líquido, transparente, isento de impurezas, com graduação alcoólica
92,5 a 94,6, massa especifica a 20°C está entre 805,2 a 811,2 kg/m³, PH neutro e com tolerância
extremamente pequena de mineira e mais como ferro, sódio e cobre. (ANP, 2002)
Por ser nacionalmente comercializado e ter baixo custo, o preço do etanol é sempre
comparado com o da gasolina, o etanol por ser produzido pela cana-de-açúcar diminuindo
consideravelmente a emissão de gases responsáveis pelo feito estufa. Com a produção do etanol
gera substratos como bagaço e palha da cana-de-açúcar, que produz o vapor e gera energia
térmica, mecânica e elétrica. O etanol nem sempre é economicamente vantajoso para o
consumidor, isso depende muito do preço já que o álcool rende menos que a gasolina e em
região muito fria o álcool perde a capacidade de combustão quando está abaixo de 13°C. (Nova
Cana,2013)
3.1.2 Combustível Etanol Anidro
Além do etanol comum, existe também o etanol anidro que está presente como
combustível em uma mistura com a gasolina. Sua graduação alcoólica está próxima a 100%,
sua máxima especifica a 20°C é no máximo 791,5 kg/m³, este álcool precisa ser líquido,
transparente e isento de impurezas. (ANP, 2002)
O processo de fabricação é parecido com ao do etanol hidratado, a única diferença
encontrada nesse processo é que o etanol anidro passa pela etapa de desidratação para retirar a
água por meio de destilação. (Bio Blog, 2016)
O etanol anidro é misturado na gasolina como uma estratégia para torna a gasolina mais
barata, além de diminuir a emissão de poluentes na atmosfera, aumentar sua octanagem. O
Brasil atualmente é obrigatório utilizar nesta mistura certa de 27% de anidro, mais de 40 países
como Estados Unidos, Canadá, Paraguai e China também utilizam esta mistura, porem com
uma proporção inferior. O etanol anidro ainda é utilizado em outros produtos como fabricação
de tintas, vernizes, solventes, bebidas destiladas, entre outros produtos. (Nova Cana, 2013)
28
3.1.3 Combustível Biodiesel
O biodiesel é um combustível renovável, ele é produzido a partir de fontes vegetais
(soja, mamona, dendê, girassol, entre outros). Ele foi criado para substituir os combustíveis
derivados do petróleo e oferecer uma opção sustentável para o abastecimento de carros e
caminhões. A sua especificação é que precisa ser límpido e isento de impurezas e sua massa
especifica a 20°C está entre 850 a 900 kg/m³. (InfoEscola, 2006)
A produção de biodiesel tem um impacto positivo ele gera baixos índices de poluição,
não colaborando com as taxas de aquecimento global. Um outro ponto positivo é que a
fabricação do combustível gera empregos tanto no campo quanto na indústria em virtude de sua
produção. Trata-se de uma fonte de energia renovável, dependendo apenas da plantação de
grãos no campo sendo assim um baixo custo comparado com os derivados do petróleo. (Knothe,
2012)
O biodiesel tem dificuldade na sua obtenção e inadaptações mecânicas dos veículos
existentes na sua produção. A produção do biodiesel em grande escala demandas profissionais
especializados, equipamentos sofisticados, ao contrário do pensamento de muitos a síntese
envolvida na fabricação desse combustível exige conhecimentos profundos em química
orgânica, bioquímica e físico-química. (Knothe, 2012)
3.1.4 Combustível Gasolina
Entre os derivados do petróleo obtidos através do seu refinamento, um dos mais
importantes é a gasolina. Visto que ela é usada na maioria dos veículos como automóveis,
motocicletas, caminhões e aviões, ela traz um grande retorno econômico para a indústria. Suas
especificações são regulamentadas pela ANP, sendo que a gasolina precisa ser liquida, límpida,
isenta de impurezas, incolor amarelada e sem corante. (Fogaça, 2015)
Existem vários tipos de gasolina, a gasolina A é produzida pelas refinarias de petróleo
e entregue diretamente as companhias distribuidoras. Não possui álcool anidro, em sua
composição é a gasolina pura. O álcool anidro é adicionado nas bases de carregamento das
distribuidoras de combustível. A gasolina que apresenta uma fórmula especial que tem maior
octanagem, portanto resistência a detonação é a gasolina comum. Está gasolina comum
(Gasolina C) é que possui a mistura com o etanol anidro em sua composição. (Souza, 2002)
A gasolina aditivada é gasolina onde é adicionado um pacote de aditivos multifuncional
que tem como principal vantagem a minimização da formação de depositos nos carburadores e
nos bicos injetores, bem como no coletor de admissão e nas hastes das válvulas de admissão.
29
Isto reduz o intervalo de limpeza dos bicos injetores e carburadores além de maior segurança
como, por exemplo, reduzir a probabilidade de falha. (Souza, 2002)
3.1.5 Combustível Diesel S500 e S10
O diesel é um óleo derivado da destilação do petróleo bruto usado como combustível
nos motores a diesel, constituído basicamente por hidrocarbonetos. O óleo diesel é um
composto, que em sua principal formação é por átomos de carbono, hidrogênio e em baixas
contrações de enxofre, nitrogênio e oxigênio. (Mundo Educação, 2016)
O diesel S500 comum é um óleo diesel mais simples, teor de enxofre máximo de 500
ppm (parte por milhão), pode ser em qualquer veículo movido a óleo diesel fabricado até 2012,
possui número de cetano mínimo 42. Com um número de cetano mais elevado, há um menor
da ignição e uma melhor qualidade de combustão. Sua especificação de qualidade é que precisa
ser líquido, límpido, isento de impurezas, vermelho, com massa especifica a 20°C entre 815 a
865 kg/m³, a sua condutividade mínima de 30 pS/m e sem presença de água. (Quezedo, 2016)
Já o diesel S10 foi um fruto de várias pesquisas para encontrar uma fórmula mais
eficiente e menos poluente, o diesel S10 já é amplamente comercializado no país e facilmente
encontrado nos postos de distribuição. Com seu teor de enxofre de no máximo 10 ppm (parte
por milhão), deve ser utilizado em motores mais novos que é devidamente otimizado para este
combustível garantindo assim mais eficiência, menos ruídos e menor emissão de poluentes na
atmosfera. Sua especificação de qualidade é que precisa ser límpido, isento de impurezas,
amarelada, com massa especifica a 20°C 815 a 850 kg/m³, a sua condutividade mínima de 30
pS/m e sem presença de água. (ANP, 2012)
3.2 Operação de Carregamento
No processo de carregamento top loading, ou carregamento “por cima”, o motorista se
dirigi a plataforma de carregamento após dar entrada no centro de distribuição de combustível
e faturado seu pedido. O motorista posiciona seu Auto Tanque na plataforma de carregamento.
Após desligar o veículo e colocar todos os equipamentos certos de proteção individual para esta
operação, o motorista desce do auto tanque, deixando qualquer tipo de equipamento eletrônico
dentro da cabine por motivos de segurança. (Bizinotto, 2016)
Ao sair do caminhão o motorista precisa conectar o cabo terra no seu caminhão para
equalizar as energias cinéticas da baia de carregamento com o caminhão e desligar a chave geral
para que não ocorro nenhuma centelha, feito isso o motorista sobre nas baias de carregamento
e baixa a escada pantográfica de modo que ela encoste na lateral do AT, após se prender ao
30
dispositivo trava queda, conforme figura 23. Estando em cima do caminhão, o motorista abre a
escotilha do compartimento a ser carregado, posiciona o braço de carregamento do produto que
deseja ser carregado até o fundo do compartimento, travando ele nesta posição. Em seguida, o
mesmo retorna para a ilha de carregamento e lança os seus dados no computador da automação
do carregamento, iniciando o procedimento. (Bizinotto, 2016)
Figura 23 - Carregamento de Auto Tanque
Fonte: Bizinotto, 2016
Ao termino do carregamento, o motorista retorna para o topo do AT e retira o braço de
carregamento do compartimento fechando a escotilha. No caso de haver outro compartimento
a ser carregado, o processo se repeti podendo ter alteração no braço se no caso tiver alteração
do produto a ser carregado. (Bizinotto, 2016)
3.3 Operação de Descarga
No processo de descarga de caminhões tanque o motorista posiciona o auto tanque na
plataforma de descarga, após ter conferido na nota fiscal o pedido, o produto e o volume
recebido visando não fazer recebimento de produto indevido ou de outra unidade. O motorista
é orientado pelos operadores a posicionar o auto tanque devidamente na plataforma de descarga.
(Brasil Postos, 2013)
O caminhão precisa estar com a chave geral desligada evitando que ocorra nenhuma
centelha no mesmo, após isso aterrar o caminhão de forma que o caminhão equalize a
eletricidade com a plataforma de descarga. O operador então faz a conferência de lacres nas
bocas de descarga e sobe no AT utilizando o cinto paraquedista para a conferência de lacres
superiores. Após está verificação de lacre, o operado sobe e realiza o processo de qualidade
31
assegurando que o produto entregue não tenha nenhuma presença de água no caso dos derivados
do petróleo ou alguma impureza, no caso se o caminhão tiver mais de 1 compartimento é
realizado a coleta de 500 ml de cada compartimento no meio da massa do caminhão, conforme
figura 24. Com a amostra pronta do produto do caminhão, é realizado o controle de qualidade.
(Mcm, 2013)
Figura 24 - Representação caminhões tanque
Fonte: Inmetro, 2016
Com o combustível nos parâmetros de qualidade desejado é iniciado o processo de
descarga dos compartimentos, é acoplado um mangote de descarga na boca de descarga do
caminhão para que ocorra o escoamento de todo o compartimento. Com a abertura da válvula
de descarga o caminhão começa a ser descarregado. Desse modo ao final do escoamento do
caminhão é realizado uma conferência pelos operadores, verificando em cima do AT se o
mesmo foi totalmente drenado ao término da descarga. (Brasil Postos, 2013)
32
4. EQUACIONAMENTO
Neste capitulo vai ser apresentado todas as metodologias e equacionamentos que
precisam ser revisados para todos os cálculos deste trabalho.
4.1 Equação de Bernoulli para escoamentos
De acordo com a equação da continuidade, a velocidade do escoamento de um fluido
pode variar com a sua trajetória. A pressão também pode variar, ela depende da altura e também
da velocidade de escoamento. Pode se dizer que a relação entre pressão, a velocidade e a altura
do escoamento de um fluido ideal é chamada de equação de Bernoulli. A equação de Bernoulli
é uma peça fundamental para analisar escoamentos. (Instituto de Fisica, 2013)
Na equação de Bernoulli, se tem o gasto de energia que o fluido precisa para ser
deslocado da seção do reservatório de sucção até a sessão do reservatório de recalque, todas
essas energias precisam ser igual ao todo trabalho realizado por uma máquina mais as perdas
de cargas. Observando que as perdas de carga são o atrito com as paredes da tubulação,
viscosidade do fluido, resistência do escoamento, etc. (Vilanova, 2011)
Tem-se a equação de Bernoulli:
(𝑍1 +𝑃1
𝛾+
𝑉1²
2𝑔) − (𝑍2 +
𝑃2
𝛾+
𝑉2²
2𝑔) = 𝐻𝑚 + ∆ℎ𝑓 (1)
Sendo que,
𝐻𝑚: energia aplicada ou retirada de alguma máquina [m];
∆ℎ𝑓: perda de carga [m];
𝑍: carga de posição [m];
𝑃
𝛾: carga de pressão [m];
𝑉²
2𝑔: carga de velocidade [m].
4.2 Altura manométrica total
A altura manométrica total é a energia por unidade de peso que o sistema solicita para
o transporte do fluido do reservatório de sucção para o reservatório de descarga. Está energia é
fornecida pela bomba que é um dos principais parâmetros para a sua seleção. Em consideração
a equação de Bernoulli, quando observado em dois locais que está instalado a bomba, tem a
seguinte equação. (Azeredo, 2013)
33
𝐻𝑚 = 𝑍2 − 𝑍1 +𝑃2
𝛾−
𝑃1
𝛾+
𝑉2²
2𝑔−
𝑉1²
2𝑔+ ∆ℎ𝑓 (2)
4.3 Altura manométrica de recalque
A altura a manométrica de recalque é toda diferença de altura do bocal de recalque da
bomba ao reservatório. Pode ser calculado dessa maneira a altura manométrica:
𝐻𝑚2 = 𝑍2 +𝑃2
𝛾+
𝑉22
2𝑔+ ℎ𝑓2
(3)
Sendo que,
𝐻𝑚: altura manométrica de recalque [m];
∆ℎ𝑓: perda de carga no recalque [m];
𝑍: altura de recalque [m];
𝑃
𝛾: carga de pressão no recalque [m];
𝑉²
2𝑔: carga de velocidade no recalque [m].
4.4 Altura manométrica de sucção
A altura a manométrica de sucção é toda diferença de altura do bocal de sucção da
bomba ao reservatório. Pode ser calculado dessa maneira a altura manométrica:
𝐻𝑚1 = 𝑍1 +𝑃1
𝛾+
𝑉1²
2𝑔+ ℎ𝑓1
(4)
Sendo que,
𝐻𝑚: altura manométrica de sucção [m];
∆ℎ𝑓: perda de carga na sucção [m];
𝑍: altura de sucção [m];
𝑃
𝛾: carga de pressão na sucção [m];
𝑉²
2𝑔: carga de velocidade na sucção [m].
34
4.5 Cavitação
É um fenômeno que ocorre principalmente em sistemas hidráulicos e que consta na
formação de bolhas de vapor no meio do fluido. Isso ocorre porque a pressão estática absoluta
local cai abaixo da pressão de vapor do líquido, sendo assim causa a formação de bolhas de
vapor no corpo do líquido, isto é, a baixa pressão na linha de sucção. A cavitação causa vários
problemas. (Parker, 2012)
A implosão das bolhas de vapor e o impacto no impulsor faz com que ocorra um ruído
que é facilmente detectável. As bolhas de vapor, em um número elevado, formam um
agrupamento que irá obstruir o canal do impulsor afetando a altura manométrica gerada pela
bomba e sua eficiência. O impacto das bolhas na superfície do material é forte o suficiente para
provocar danos e erosão nas pás da bomba, conforme figura 25. (Parker, 2012)
Figura 25 - Representação das pás da bomba cavitada
Fonte: Menezes, 2016
4.6 NPSH
NPSH é o termo (Net Positive Suction Head) designado a um parâmetro responsável
por medir a pressão atmosférica e a pressão da coluna de líquido com a finalidade de evitar a
cavitação, ou seja, a formação de bolhas de vapor ou de gás em um determinado liquido. Sendo
assim, NPSH é fator fundamental para o bom funcionamento de bombas e diminuição de
perdas. (FlowExpert, 2018)
A função é mostrar pelo quanto a pressão vai existir, removendo o desnível e as perdas
de carga na tubulação de sucção, desde o reservatório até a entrada da bomba. Buscando estes
dois pontos de referência e utilizando a equação de Bernoulli, tem-se:
35
𝑍1 +𝑃1
𝛾+
𝑉1²
2𝑔= 𝑍3 +
𝑃3
𝛾+
𝑉3²
2𝑔+ ∆ℎ𝑠
(5)
Sendo que,
∆ℎ𝑠: perda de carga na sucção, é a soma das perdas da tubulação (ℎ𝑠) e a da entrada do rotor
(ℎ ∗), ou seja, ∆ℎ𝑠 = ℎ𝑠 + ℎ ∗;
𝑍3: altura da entrada da bomba;
𝑃1: reservatório de sucção;
𝑉1: velocidade reservatório de sucção desprezível;
𝑃3: ponto onde se iniciara a cavitação quando a pressão for igual a do vapor (𝑃𝑣)
Fazendo a consideração que 𝑍3 − 𝑍1 = 𝑍 , altura total de sucção e 𝑃1 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 ,
chegamos a um novo termo:
𝑃𝑎𝑡𝑚
𝛾= 𝑍 +
𝑃𝑣
𝛾+
𝑉3²
2𝑔+ ℎ𝑠 + ℎ∗ (6)
Existem 2 conceitos de NPHS:
NPSH Disponivel (NPSH d) que é a pressão absoluta exercida pelo sistema na entrada
da bomba.
A equação do NPSH d é feita desta maneira:
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝 =𝑃𝑎𝑡𝑚
𝛾−
𝑃𝑣
𝛾− 𝑍 − ℎ𝑠
(7)
O NPSH Rquerido (NPSH r) é a pressão minima exigida na entrada da bomba para
evitar que ela sofra os efeitos da cavitação. O NPSH r é resultante do projeto da bomba e pelo
próprio fabricante.
A equação do NPSH r é feita da seguinte maneira:
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟𝑒𝑞 =𝑉3²
2𝑔+ ℎ∗
(8)
Sendo assim, para uma bomba estar livre de cavitação o NPSH d tem que ser maior que
o NPSH r. (RZR, 2014)
36
4.7 Perda de Carga
As paredes internas de uma tubulação industrial influencia no escoamento do fluido,
dissipando sua energia em razão do atrito viscoso das partículas fluidas. As partículas em entrar
em contato com a parede interna da tubulação, adquirem a velocidade da parede e passam a
distribuir essa velocidade nas partículas vizinhas por meio de viscosidade da turbulência,
dissipando energia. Esta redução de energia provoca redução da pressão total do fluido ao longo
do escoamento, denominando perda de carga. (Moreira, 2010)
Nos escoamentos sob pressão a perda de carga tem duas causas. A primeira é a perda de
carga distribuída onde ocorre na parede dos dutos retilíneos que fornecem uma perda de pressão
distribuída ao longo do comprimento da tubulação, fazendo que a pressão diminua
gradativamente ao longo do comprimento. A segunda é a perda de carga localizada pelos
acessórios, as peças utilizadas nas tubulações que auxiliam na montagem, fluxo e escoamentos,
as quais provocam variação brusca de velocidade, em modulo direção, aumentando mais ainda
a perda de energia nos pontos localizados. (Moreira, 2010)
4.8 Viscosidade
Algumas substâncias fluidas tem certo grau de atrito interno e este wfenômeno é
conhecido como viscosidade. É uma força de atrito entre as camadas adjacentes do fluido. Em
outras palavras, a viscosidade é a resistência sob a forma de atrito interno. (Editorial Conceitos,
2017)
A viscosidade é o atrito interno nos fluidos devido as interações das moléculas do fluido,
sendo geralmente em função da temperatura. A viscosidade é a resistência interna do material
para fluir e deve ser compreendida como a medida do atrito do fluido. (ProLab, 2014)
Sendo assim viscosidade é dada por essa equação:
𝑣 =𝜇
𝜌
(9)
Sendo que,
𝜇: viscosidade dinâmica [Pa.s];
𝜌: massa específica [kg/m³];
𝑣: viscosidade cinemática [m²/s].
37
4.9 Rugosidade absoluta
Rugosidade é definida no caso particular de cada tubulação, aquela que possui alguma
anomalia interna, seja aquela por protuberância, rugas ou ainda crateras em sua estrutura interna
quando nova ou ao decorrer do funcionamento. A rugosidade é a responsável pelo atrito ou a
resistência a passagem do fluido, deformando o que seria ideal, um perfil de velocidade. A
consequência da resistência a passagem ou ao escoamento do fluido internamento sobre as
paredes do tubo é a perda de pressão ao longo do mesmo. (Raimundo, 2012)
Todos os materiais tem rugosidade absoluta diferente, conforme tabela 2
Tabela 2 - Rugosidade absoluta de materiais
Fonte: Raimundo, 2012
4.10 Vazão
Vazão é o volume ou massa de um determinado fluido, que passa por uma seção de uma
tubulação livre ou forçado por unidade de tempo. Vazão é a rapidez com a qual um volume
escoa. Vazão corresponde a taxa de escoamento, ou seja a quantidade de material transportado
através de uma seção por unidade de tempo. (Cassiolato, 2004)
Primeiro temos que definir a área do tubo, sendo assim a fórmula de cálculo de área de
um tubo circular:
𝐴 =𝜋. 𝐷²
4 (10)
Onde,
𝐷: diâmetro hidráulico do tubo [m]
38
Dessa forma o calculo da vazão:
𝑄 = 𝑉. 𝐴
(11)
Sendo que,
𝑉: velocidade média de escoamento [m/s];
𝐴: área da seção transversal do tubo [m²];
𝑄: vazão volumétrica [m³/s].
4.11 Número de Reynolds
Após vários experimentos na década de 1880, Osborne Reynolds demonstrou a
existência de 2 tipos de escoamento (laminar e turbulento). A transição destes dois tipos de
escoamento laminar ou turbulento depende muito da geométrica, da rugosidade, da velocidade
do escoamento, da temperatura da superfície e do tipo do fluido. O número de Reynolds é
dependente da razão entre as forças da inércia e as forças viscosas do fluido. (A. Cengel, 2015)
O escoamento laminar é caracterizado por linhas de correntes suaves e movimentos
altamente ordenado, conforme figura 26. Já um escoamento turbulento é caracterizado pelas
flutuações de velocidade e pelo movimento altamente desordenado, conforme figura 27. (A.
Cengel, 2015)
Figura 26 - Escoamento laminar
Fonte: EngBrasil, 2013
Figura 27 - Escoamento turbulento
Fonte: EngBrasil, 2013
Sendo assim o número de Reynolds é determinado:
39
𝑅𝑒 =𝜌. 𝑉. 𝐷
𝜇 =
𝑉. 𝐷
𝑣
(12)
Onde,
𝑅𝑒: número de Reynolds;
𝐷: diamêtro da tubulação [m];
𝜇: viscosidade dinâmica [Pa.s];
𝜌: massa específica do fluido [kg/m³];
𝑉: velocidade média de escoamento [m/s];
𝑣: viscosidade cinemática [m²/s].
Com esse experimento Reynolds concluiu que se o resultado encontrado for menor que
2000 o escoamento é laminar, se o resultado for entre 2000 e 4000 é considerado regime critico
que é onde relacionado a faixa de transição, se o resultado for maior que 4000 o escoamento é
turbulento. (Neto, 2015)
4.12 Fator de Atrito
O fator de atrito é um ponto adimensional utilizado para calcular a perda de carga. Ela
está ligado ao tipo de escoamento e a rugosidade relativa da tubulação. Sendo assim foram
desenvolvidas várias equações para encontrar o fator de atrito em cada escoamento.
Para escoamento laminar:
𝑓 =64
𝑅𝑒
(13)
Onde,
𝑓: fator de atrito;
𝑅𝑒: número de Reynolds.
Para escoamento turbulento liso, se utiliza a 1ª equação de Karmann-Prandtl:
1
√𝑓= 2𝑙𝑜𝑔.
𝑅𝑒. √𝑓
2,51
(14)
Para tubos rugosos, se utiliza a 2ª equação de Karmann-Prandtl:
40
1
√𝑓= 2 log 3,7
𝐷
𝑒
(15)
Com um objetivo de simplicifar, Moody desenvolveu uma representação gráfica em
escala logarítmica do fator de atrito em função do número de reynolds e a rugosividade relativa
de uma tubulação, conforme figura 28.
Figura 28 - Representação Diagrama de Moody
Fonte: KSB (2013)
4.13 Perda de carga localizada
As tubulações não são constituídas exclusivamente de tubos retilíneos e de mesmo
diâmetro. Geralmente as tubulações apresentam cursas, válvulas, cotovelos, retenções, etc, que
pela forma geométrica e disposição elevam a turbulência, resultando em perda de carga. (R.
Byron Bird,2004).
41
Estas perdas são denominadas perdas localizadas pelo fato de ocorrerem
especificamente em pontos determinados da tubulação ao contrato de perdas que ocorre em
todo o escoamento.
Uma das maneiras de calcular a perda de carga localizada é a utilização de tabelas que
se encontra os valores do coeficiente de perda de carga. Utilizando a perda para cada acessório
em função do seu diâmetro, conforme tabela 3. Com os dados 𝐿𝑒𝑞 é realizado a equação da
perda de carga localizada. (Ufla, 2007)
ℎ𝑙 = 𝑓𝐿𝑒𝑞
𝐷
𝑉²
2𝑔
(16)
Tabela 3 - Representação de perda de carga de equipamentos por diâmetro de tubulação
Fonte: KSB (2013)
4.14 Perda de carga distribuída
Perda de carga distribuída é a que relaciona o atrito do fluido na parede dos tubos, ela
pode ser expressada dessa maneira:
ℎ𝑐 = 𝑓𝐿
𝐷
𝑉²
2𝑔
(17)
42
Onde,
𝑓: fator de atrito;
𝑔: aceleração da gravidade [m/s²];
𝐿: comprimento da tubulação [m];
𝐷: diâmetro da tubulação [m];
𝑉: velocidade do fluido [m/s].
4.15 Perda de carga total
A perda de carga total é a soma das perdas de carga distribuida e localizada que pode
ser representada da seguinte forma:
∆ℎ𝑓 = 𝑓𝐿𝑡
𝐷
𝑉2
2𝑔
(18)
Sendo que
𝑉: velocidade do fluido [m/s];
𝑔: aceleração da gravidade [m/s²];
𝐿𝑡: somatório dos comprimentos da tubulação (𝐿) com os comprimentos equivalentes dos
acessórios (𝐿𝑒𝑞) [m];
𝑓: fator de atrito;
𝐷: diâmetro da tubulação [m].
4.16 Velocidades recomendadas para recalque e sucção
A escolha do diâmetro da tubulação deve levar em conta os parâmetros econômicos e a
disponibilidade de diâmetros dos tubos comerciais. Na escolha dos tubos dois fatos são
importantes. O custo da tubulação a ser instalada e o custo operacional do sistema, as energias
gastas do fluido diminui com o aumento da tubulação. (Unicamp, 2012)
A soma dos custos fixos mais com os custos operacionais apresentam um valor mínimo
que é denominado diâmetro econômico, aquele que minimiza os custos totais de uma tubulação.
(Unicamp, 2012)
Com esse estudo foi desenvolvida um gráfico com indicações de viscosidade dos fluidos
e relacionado com a velocidade econômica para cada seção, conforme figura 29.
43
Figura 29 - Velocidade econômica
Fonte: Filho, 2018
4.17 Potência de bomba
A bomba é um equipamento mecânico que tem a força necessária para mover um fluido
a uma certa taxa especifica. Ele adiciona energia ao fluido, tomando a energia mecânica de um
eixo. Para fazer o cálculo da sua potência de eixo, temos: (Correia,2003)
𝑊𝑏 =𝜌𝑄𝑔𝐻
η
(19)
Onde,
𝜌: massa específica do fluido [kg/m³];
𝑄: vazão volumétrica [m³/s];
𝑔: aceleração da gravidade [m/s²];
H: carga manométrica[m];
η : rendimento do motor.
A energia obtida através do fluido por uma coluna de água é a energia hidráulica. É uma
energia que aproveita o desnível ou queda d’água para geração de energia. Para ser aproveitada
em energia mecânica através de turbinas. A potência hidráulica que pode ser encontrada em um
desnível pode ser calculado como:
𝑊ℎ = 𝜌𝑄𝑔𝐻
(20)
44
5. CASO ESTUDADO
Neste capitulo é apresentado todo o detalhamento e a configuração da planta estudada,
em que é realizado o estudo hidráulico do sistema de bombeamento. Trata-se de um sistema de
tubulações de uma empresa de distribuição de combustível, que o foco vai ser o carregamento
e descarga do etanol hidratado, onde se tem todo o bombeamento por um conjunto moto-bomba
e será levantado a possibilidade de melhoria.
A planta da distribuidora é composta por 8 tanques sendo os dois primeiros de etanol
hidratado, conforme a figura 30, onde uma moto bomba proporciona o deslocamento do fluido
do tanque até baias de carregamento ou na operação de descarga dos caminhões até o tanque.
Figura 30 - Representação da distribuidora de combustível
Fonte: Próprio autor.
Foi realizado um estudo para verificar qual a perda de carga das linhas de carregamento
e descarga do produto, considerando que a bomba de carregamento é proporcionada para 144
m³/h, onde é divido pelos dois braços de carregamento resultando em uma vazão de 72 m³/h
para cada braço. O pior cenário é encontrado quando o segundo tanque está expedindo e
recebendo produto.
Para a realização dos cálculos foi considerado os valores, conforme tabela 4
45
Tabela 4 - Dados para cálculos
Massa especifica(Kg/m³)
Viscosidade dinâmica do etanol (Pa.s)
Rugosidade absoluta do aço carbono SCH 40 (m)
806 1,2. 10−3 9.10−5
Fonte: Próprio autor
O conjunto moto bomba de carregamento apresenta os seguintes paramentos: vazão de
144 m³/h, 1750 rpm, altura manométrica 30,4 metros, modelo Megachem 100-250, com um
motor 160m de 20 CV, na bomba de descarga tem-se os seguintes dados: vazão de 280 m³/h,
1750rpm, altura manométrica 30 metros, modelo BRF YD 31. S com um motor 180m de 30 cv.
É verificado a perda de carga nos pontos de vazão da bomba é de 144 m³/h e que atenderá
a necessidade de 72m³/h em cada braço, considerando um carregamento simultâneo.
46
6. RESULTADOS CARREGAMENTO
O sistema se encontra no tanque 2 onde foi verificado o pior cenário pela distância,
conforme a figura 31:
Figura 31 - Verificação de trechos do tanque até a plataforma de carregamento
Fonte: Próprio autor
Foi verificado que cada trecho tem diâmetros de tubulações diferentes e vários
acessórios, com isso foi construída uma tabela para implementação e descrição do trecho.
Tabela 5 - Característica de cada trecho
Trecho Diâmetro tubulação
Sucção / Recalque Descrição do trecho
Vazão
encontrada nos
medidores
1 12" Sucção Saída do tanque até a linha principal
3000 L/min
2 6" Recalque Bomba de hidratado até o final da
linha principal
3000 L/min
3 4" Recalque Linha principal até os braços de
carregamento
1500 L/min
Fonte: Próprio Autor
47
6. 1 Cálculo de perdas carregamento
Trecho 1 tem uma distância total de 74,4 metros de comprimento e possui os seguintes
acessórios:
Tabela 6 - Acessórios trecho 1
Quantidade Acessórios Leq (m) Leq-TOTAL (m)
3 Válvula gaveta 2,1 6,3
3 Curva 90° 3,6 10,8
3 Curva 45° 2,2 6,6
Total equivalente (m) 23,7
Fonte: Proprio autor
Com base nestes parametros foi encontratados o seguintes resultados, conforme tabela
6:
Tabela 7 - Resultados Trecho 1
Diametro
interno Velocidade
Rugosidade
relativa
(mm)
L-total Fator de
atrito
Perda de
Carga total
0,303m 0,692m/s 0,0002968 98,1 0,0185 0,1462m
Fonte: Proprio autor
Trecho 2 com a tubulação de 6” tem uma distância total de 36,55 metros de comprimento
e possui os seguintes acessórios:
Tabela 8 - Acessórios trecho 2
Quantidade Acessórios Leq (m) Leq-TOTAL (m)
2 Válvula gaveta 1,1 6,3
1 Retenção 1,5 1,5
5 Curva 90° 1,9 9,5
Total equivalente (m) 17,3
Fonte: Proprio autor
Com base nestes parametros foi encontratados o seguintes resultados, conforme tabela
8:
Tabela 9 - Resultados trecho 2
Diametro
interno Velocidade
Rugosidade
relativa
(mm)
L-total Fator de
atrito
Perda de
Carga total
0,149m 2,864m/s 0,0006037 53,85 0,01882 2,8429m
Fonte: Proprio autor
Trecho 3 com a tubulação de 4” tem uma distância total de 27,00 metros de comprimento
e possui os seguintes acessórios:
48
Tabela 10 - Acessórios trecho 3
Quantidade Acessórios Leq Leq-TOTAL
6 Válvula esferica 1,1 6,6
20 Curva 90° 1,9 38
2 Redução 3” 0,021 0,042
2 Ampliação 4” 0,15 0,3
Total equivalente (m) 44,942
Fonte: Proprio autor
Como o trecho 3 existem dois braços de carregamentos, é preciso duplicar todos os
acessórios. Neste trecho tem um filtro tipo cesto e uma válvula elétrica, que foi disponibilizado
uma tabela pelo próprio fornecedor com todos as perdas de carga do filtro tipo cesto, conforme
figura 32.
O filtro instalado na distribuidora de combustível tem as características de ser malha 40.
Figura 32 – Perda de carga do filtro tipo cesto
Fonte: ProMach (2013)
Com uma vazão de 90m³/h e uma tubulação de 4 polegada temos uma perda de carga
de 25 kPa, conforme figura 33, multiplicando pelo fator encontrado (1,21) temos um resultado
de 30,25 kPa, sendo assim precisamos converter essa unidade de medida:
49
Figura 33 - Conversão de parâmetros
Fonte: Proprio autor
Sendo assim,
ℎ𝑝 =30250𝑃𝑎
806∗ 9,81 = 3,825 metros
Como no trecho 3 existe uma válvula elétrica para cada braço de carregamento, foi
disponibilizado pelo próprio fornecedor uma tabela com as percas de carga do equipamento,
conforme tabela figura 34.
Figura 34 - Perda de carga válvula elétrica
Fonte: OCV, 2017
Sendo assim,
1 psi = 6894,76
12 psi = 82737,1
ℎ𝑝 =82737,1𝑃𝑎
806∗ 9,81 =10,4639 metros
Neste trecho existe uma redução de 4” para 3” com um grau de 45º, foi verificado um
fator K de 0,04 , conforme figura 35.
50
Figura 35 - Fator K de uma redução
Fonte: Bistafa, Sylvio (2015)
Com base nesta informação é preciso encontrar a perda de carga localizada neste
equipamento utilizando a fórmula:
K = ℎ𝑝𝑉 ²
2𝑔
(19)
Onde,
K= perda de carga singular [m];
Hp = perda de carga no equipamento [m];
V = velocidade [m/s²];
g = gravidade [m/s²].
Com isso temos:
0,04 * 3,2468 ²
2∗9,81= ℎ𝑝
hp = 0,021m
Neste trecho, possui também uma ampliação de 3” para 4” com um resultado entre
diâmetros de 0,7619, foi verificado a perda de carga neste tipo de equipamento, conforme figura
36.
Figura 36 - Fator K de uma ampliação
Fonte: Bistafa, Sylvio (2015)
51
Com este resultado entre diâmetros precisa ser feito a interpolação para encontrar o fator
k correspondente a esse resultado.
Sendo assim,
0,15−0,10
0,6−0,8=
𝑘−0,10
0,7619−0,8 = 0,096
Utilizando a formula 19 é encontrado uma perda de carga localizada de:
0,096 * 5,592177²
2∗9,81= ℎ𝑝
hp = 0,15 m
Com base nestes parametros foi encontratados os seguintes resultados para os dois
braços de carregamento, conforme tabela 10:
Tabela 11 - Resultados trecho 3
Diametro
interno Velocidade
Rugosidade
relativa
(mm)
L-total Fator de
atrito
Perda de
Carga total
0,102m 3,043m/s 0,00088011 71,942 0,02049 6,8076m
Fonte: Proprio autor
6.1.1 Cálculo da altura manométrica total
Considerando os níveis e velocidades dos reservatórios de sucção e recalque, tem-se:
Sendo que,
∆ℎ𝑓 = 𝚺ℎ𝑓 + ℎ𝑓𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 + ℎ𝑓𝑣.𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟
∆ℎ𝑓 = 9,7967 + 7,6515 + 20,9278
𝐻 = 𝑍2 − 𝑍1 + ∆ℎ𝑓 = 4,7 − 1,3 + 38,376 = 𝐻 = 41,776 𝑚
Apenas com esse resultado já é possível identificar que não consegue vencer esse
desnível, sendo que a bomba de carregamento pode vencer apenas um desnível de 30,4 metros.
6.1.2 Cálculo carregamento ideal
Com base nestes dados será feito um novo cálculo com a vazão de 2000 l/min que é a
vazão ideal para operação dos dois braços de carregamento pela distribuidora de combustível.
Com isso, foi remanejado a vazão de todos os trechos conforme tabela 11.
52
Tabela 12 - Trechos ideais para distribuidora
Trecho Diâmetro tubulação
Sucção / Recalque Descrição do trecho
Vazão
encontrada nos
medidores
1 12" Sucção Saída do tanque até a linha principal
4000 L/min
2 6" Recalque Bomba de hidratado até o final da
linha principal
4000 L/min
3 4" Recalque Linha principal até os braços de
carregamento
2000 L/min
Fonte: Proprio autor
Os acessórios de cada trecho vão ser o mesmo o que vai mudar será a vazão e os
parâmetros de cada trecho, sendo assim os resultados dos trechos conforme tabela 12, 13 e 14.
Tabela 13 - Resultado trecho 1 ideal
Diametro
interno Velocidade
Rugosidade
relativa
(mm)
L-total Fator de
atrito
Perda de
Carga total
0,30322m 0,9232m/s 0,0002968 98,1 0,01783 0,2505m
Fonte: Proprio autor
Tabela 14 - Resultado trecho 2 ideal
Diametro
interno Velocidade
Rugosidade
relativa
(mm)
L-total Fator de
atrito
Perda de
Carga total
0,14908m 3,8192m/s 0,0006037 53,85 0,0185 4,9682m
Fonte: Proprio autor
Tabela 15 - Resultado trecho 3 ideal
Diametro
interno Velocidade
Rugosidade
relativa
(mm)
L-total Fator de
atrito
Perda de
Carga total
0,10226m 4,0512m/s 0,0006037 71,942 0,0201 10,9270m
Fonte: Proprio autor
Com uma vazão de 120m³/h e uma tubulação de 4 polegada temos uma perda de carga
de 36 kPa, conforme figura 33, multiplicando pelo fator encontrado(1,21) temos um resultado
de 43,56 kPa, sendo assim precisamos converter essa unidade de medida:
ℎ𝑝 =43560𝑃𝑎
806∗ 9,81 = 5,5091 metros
53
6.1.1 Cálculo da altura manométrica total do carregamento ideal
Considerando os níveis e velocidades dos reservatórios de sucção e recalque, tem-se:
Sendo que,
∆ℎ𝑓 = 𝚺ℎ𝑓 + ℎ𝑓𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 + ℎ𝑓𝑣.𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟
∆ℎ𝑓 = 16,14577 + 11,0182 + 20,9278
𝐻 = 𝑍2 − 𝑍1 + ∆ℎ𝑓 = 4,7 − 1,3 + 48,0917 = 𝐻 = 51,4917 𝑚
6.2 Solução para o carregamento
A seguir, serão propostas algumas soluções para o problema apresentado, a fim de
alcançar uma vazão volumétrica ideal para o sistema de carregamento.
6.2.1 Solução: Troca da bomba e o motor
A bomba existente na instalação é o modelo 100-250 da Megachen. Com as curvas de
campo de aplicação da bomba pode-se notar que o modelo 100-400, conforme figura 37, a
melhor escolha para o caso atual, a qual poderia suprir a demanda de energia para vencer a
perda de carga total encontrada, que gira em torno de 51,4917 m. Acrescentando mais 10% para
uma margem de segurança tem-se uma altura manométrica total de 57m.
Figura 37- Modelo de bomba megachen
Fonte: KSB Megachem, 2013
54
Com essa nova bomba será capaz de suprir a demanda de 2000 l/min em cada braço de
carregamento e também vencer a perda de carga de todo o sistema.
Nessa nova bomba precisa ser calculado a potência necessária que o motor precisa
disponibilizar para a bomba, sendo assim, foi verificado com o fornecedor o rendimento desta
bomba conforme figura 38.
Figura 38 - Verificação do rendimento da bomba
Com isso,
𝑊𝑏 =806∗ 0,066∗9,81∗57
0,725 = 41028,42 W
Sendo que,
1 watts = 0,0013 cv
41028,42 w = 55,8209 cv
O motor existente na operação de carregamento é de apenas 20 cv, por isso vou
verificado junto com o catalogo do fornecedor de motores WEG na seção de motores a prova
de explosão e o melhor motor para essa operação é o trifásico 225S/M com 60 cv e 1770 rpm.
6. 3 Estudo da descarga
Neste capitulo serão demonstrados todos os cálculos de se chegar em um resultado da
operação de descarga para dar soluções de melhoria e eficiência na rede da tubulação.
55
Nesta operação não existe nenhum medidor eletrônico que possibilita verificar quanto
que seria a vazão de descarga, sendo assim foi realizado todo o estudo na vazão que o terminal
de combustível desejaria para a descarga de etanol hidratado.
O sistema se encontra no tanque 2 onde foi verificado o pior cenário pela distância,
conforme a figura 39:
Figura 39 - Trechos tubulação descarga
Fonte : Proprio autor
Foi constado que cada trecho tem uma tubulação diferente e medidas de comprimento
diferente, para isso foi criado uma tabela para apresentar os dados:
Tabela 16 - Característica de cada trecho
Trecho Diâmetro tubulação
Sucção / Recalque Descrição do trecho
Vazão
encontrada nos
medidores
1 6" Sucção Descarga dos caminhões até as
bombas
2000 L/min
2 8" Recalque Da tubulação principal até entrada
do tanque 2
2000 L/min
Fonte: Próprio Autor
56
6.3.1 Cálculo descarga ideal
Trecho 1 tem uma distância total de 44,8 metros de comprimento e possui os seguintes
acessórios:
Tabela 17 - Acessórios trecho 1
Quantidade Acessórios Leq (m) Leq-TOTAL (m)
3 Válvula gaveta 1,1 3,3
4 Curva 90° 2,5 10
1 T passagem direta 3,4 3,4
1 Curva 45° 1,1 6,6
1 Retenção 1,5 1,5
Total equivalente (m) 24,8
Fonte: Proprio autor
Com uma vazão de 120m³/h e uma tubulação de 6 polegada temos uma perda de carga
de 9 kPa, conforme figura 33, multiplicando pelo fator encontrado(1,21) temos um resultado de
10,86 kPa, sendo assim precisamos converter essa unidade de medida:
Sendo assim:
ℎ𝑝 =10890𝑃𝑎
806∗ 9,81 = 1,3772 metros
Com base nestes parametros foi encontratados o seguintes resultados, conforme tabela
13:
Tabela 18 - Resultados trecho 1
Diametro
interno Velocidade
Rugosidade
relativa
(mm)
L-total Fator de
atrito
Perda de
Carga total
0,149m 1,909m/s 0,0006037 69,6 0,0194 1,6834m
Fonte: Proprio autor
Trecho 2 com a tubulação de 8” tem uma distância total de 67,8 metros de comprimento
e possui os seguintes acessórios:
Tabela 19 - Acessórios trecho 2
Quantidade Acessórios Leq (m) Leq-TOTAL (m)
2 Válvula gaveta 1,4 2,8
4 Curva 90° 3,3 13,2
1 T passagem direta 4,3 4,3
3 Curva 45° 1,5 4,5
1 Retenção pesada 25 25
1 Ampliação 6” – 8” 0,015 0,015
Total equivalente (m) 49,815
57
Fonte: Proprio autor
Neste trecho estudado, possui uma ampliação de 6” para 8” com um resultado entre
diâmetros de 0,7353, conforme figura 36.
Sendo assim,
0,15−0,10
0,6−0,8=
𝑘−0,10
0,7353−0,8 = 0,1161
Utilizando a formula 19 é encontrado uma perda de carga localizada de:
0,1161* 0,516273²
2∗9,81= ℎ𝑝
hp = 0,015 m
Com base nestes parametros foi encontratados o seguintes resultados, conforme tabela
15:
Tabela 20 - Resultados trecho 2
Diametro
interno Velocidade
Rugosidade
relativa
(mm)
L-total Fator de
atrito
Perda de
Carga total
0,20274m 1,0325m/s 0,0004439 117,615 0,01924 0,6065m
Fonte: Proprio autor
6.3.2 Cálculo da altura manométrica total descarga ideal
Considerando os níveis e velocidades dos reservatórios de sucção e recalque, tem-se:
Sendo que,
∆ℎ𝑓 = 𝚺ℎ𝑓 + ℎ𝑓𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜
∆ℎ𝑓 = 2,2899 + 1,37
𝐻 = 𝑍2 − 𝑍1 + ∆ℎ𝑓 = 12,3 − 1,8 + 3,6599 = 𝐻 = 14,1599 𝑚
58
6.4 Solução ideal descarga
A seguir, serão propostas algumas soluções para o problema apresentado, a fim de
alcançar uma vazão volumétrica ideal para o sistema de carregamento.
6.4.1 Solução descarga ideal: troca da tubulação de sucção e recalque
Conforme ilustrado no trabalho, a velocidade econômica ideal do etanol hidratado na
sucção é de 0,9m/s, porém o valor encontrado é da ordem de 1,9096 m/s, o que promove o
aumento das perdas de carga neste trecho. Na tubulação de recalque, a velocidade econômica
desta seção é 4,5m/s, sendo encontrada uma velocidade extremamente menor que a
recomendada, de 1,0325m/s.
Com base nestas duas informações, a proposta para tentar solucionar esse problema é a
troca da tubulação de sucção que é de 6” para 8” que irá atingir uma velocidade de 1,03m/s,
mais próxima da econômica. Na tubulação de recalque, seria viável fazer a troca de 8” para 6”
para atingir uma velocidade maior, chegando até 1,90m/s.
59
7. CONCLUSÃO
Com este estudo de caso em que foi verificado uma rede de tubulações de um sistema
de carregamento de uma distribuidora de combustível, chegou-se à conclusão que a bomba
encontrada no sistema de carregamento não suporta a total demanda de vazão desejada, pelas
características nelas estudas e que se encontra na soma de curvas e acessórios.
Como a bomba de carregamento que a empresa distribuidora possui consegue vencer
apenas 30 metros de altura manométrica, com os resultados encontrados a altura manométrica
total requisitada pelo sistema e acrescentada uma margem de 10% de segurança tem-se um
resultado de 57 m. Na bomba de descarga consegue vencer o desnível e a vazão desejada só
que as velocidades encontradas na sucção e no recalque não são próximas das econômicas.
Sendo assim na seção de carregamento foi feito a proposta de trocar a bomba e o motor
pelos modelos citados para conseguir vencer o desnível e a vazão desejada em cada braço de
carregamento. Na descarga a proposta é trocar as tubulações de sucção e recalque para atingir
uma velocidade mais econômica.
Trabalhos futuros fazer todo o dimensionamentos de todos os tanques da distribuidora
de combustível para tentar solucionar e aumentar todas as vazões dos produtos.
60
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