06 Elevatorias - Engenharia Ambiental - POLI-USP

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Renato Carlos Zambon
Ronan Cleber Contrera
Theo Syrto Octavio de Souza
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental
PHA3412 - Saneamento
softwares 
disponíveis...
2
COMPONENTES DE UMA ESTAÇÃO 
ELEVATÓRIA
• Equipamentos eletromecânicos
– Motores
– Bombas
• Tubulações
– Sucção
– Barrilete
– Recalque
• Construção civil
– Poço de sucção
– Casa de bomba
3
BOMBAS CENTRÍFUGAS
Corte de uma bomba centrífuga 
horizontal de simples estágio
• Carcaça
• Rotor
• Vedação
• Mancal
Corte de uma bomba centrífuga de simples 
estágio com rotor de dupla sucção
4
Atualmente, há um 
predomínio total das bombas 
centrífugas em sistemas de 
abastecimento de água...
BOMBAS CENTRÍFUGAS - CARCAÇA
Bomba centrífuga com 
carcaça tipo voluta com 
rotor radial fechado de 
sucção simples
Bomba centrífuga 
bipartida axialmente
com rotor radial de 
dupla sucção
5
BOMBAS CENTRÍFUGAS - ROTOR
• Quanto à admissão de líquido
– Rotor de simples sucção
– Rotor de dupla sucção
• Quanto às paredes
– Rotor aberto
– Rotor semi-aberto
– Rotor fechado
• Quanto à direção de saída do líquido
– Rotor de fluxo axial
– Rotor de fluxo radial
– Rotor de fluxo misto
TIPOS DE ROTOR
Fechado
Semiaberto
Aberto
6
BOMBAS CENTRÍFUGAS - ROTOR
Classificação segundo a trajetória do líquido no rotor
Bombas de fluxo radial
Bomba de fluxo axial
Bombas de fluxo misto
7
8
N: rotação da bomba (rpm)
Q: vazão (m3/s)
H: altura manométrica (m)3
4
q
N Q
N
H

Classificação segundo a rotação específica
BOMBAS CENTRÍFUGAS: INSTALAÇÃO
Eixo horizontal de sucção simples
Bipartida sucção dupla (base única para bomba e motor)
9
Eixo vertical prolongado
ESQUEMA HIDRÁULICO
Bomba horizontal não afogada
10
NA1
NA2
Hg,r
Hg,s
poço de
sucção
DHr
DHs
motor e
bomba
eixo da
bomba
Hm = Hg+DH
DH = DHs+DHr
Hg = Hg,s+Hg,r = NA2-NA1
(Hg,s > 0)
- NA pode ser variável...
- Verificar as diversas
condições de operação
ESQUEMA HIDRÁULICO
Bomba horizontal afogada
11
NA1
NA2
Hg
poço de
sucção
DHr
DHs
motor e
bomba
eixo da
bomba
Hm = Hg+DH
DH = DHs+DHr
Hg = Hg,s+Hg,r = NA2-NA1
(Hg,s < 0)
ESQUEMA HIDRÁULICO
Bomba vertical afogada (e submersa)
12
NA1
NA2
Hg
poço de
sucção
Hm = Hg+DHr
Hg = NA2-NA1
DHr
bomba
motor
CAVITAÇÃO x NPSH (Net Positive Suction Head)
13
Cavitação não é corrosão!
CAVITAÇÃO x NPSH
 Carga de sucção positiva disponível (m):
bomba não afogada (Hg,s>0) bomba afogada (Hg,s<0)
14
,
vapora tm
d g s s
pp
NPSH H H
 
    D
/
vapor
p 
/
atm
p 
,g s
H
s
HD
d
NPSH
/
vapor
p 
/
atm
p 
,g s
H
s
HD
d
NPSH
CAVITAÇÃO x NPSH
 Condição para funcionamento da bomba sem cavitação
 folga mínima: 0,5 m ou 20% (melhor acima de 1,5 m ou 35%)
15
d r
NPSH NPSH
N
P
SH
 (
m
)
fo
lg
a
Q (m³/s)
cavitação!
Q
Calculado 
Catálogo da 
bomba
CAVITAÇÃO x NPSH
16
Pressão de vapor da água em 
função da temperatura
T (°C) Pv/ (m H2O) Observações
0 0,062
2 0,072
4 0,083
6 0,095
8 0,109
10 0,125
15 0,174
20 0,238
25 0,323
30 0,433
40 0,752
50 1,258
60 2,031
80 4,827
100 10,332
T = temperatura 
Pv/ = altura 
equivalentede 
coluna de água
Pressão atmosférica em 
função da altitude
h (m)
Patm/ 
(m H2O)
Observações
0 10,33
300 9,96
600 9,59
900 9,22
1200 8,88
1500 8,54
1800 8,20
2100 7,89
2400 7,58
2700 7,31
3000 7,03
h = altitude 
Patm/ = altura de 
coluna de água 
equivalente a 
pressão 
atmosférica
CURVAS CARACTERÍSTICAS - EXEMPLO
17
 NPSHr
 Curvas
da Bomba
Diâmetro 
do rotor
Rendimento 
da bomba
Diâmetro 
do rotor
CURVAS CARACTERÍSTICAS
18
vazão (m³/s)
a
lt
u
ra
m
a
n
o
m
é
tr
ic
a
(m
)
Hg
DH
ponto de
operação
Do catálogo do 
fabricante
Fórmula Universal 
ou Hazen-Williams
QBombeada
BOMBAS EM PARALELO
19
as vazões das curvas das bombas são somadas
o novo ponto de operação não corresponde à soma das vazões que 
ocorreriam com cada bomba operando individualmente  aumenta 
a perda de carga e a altura manométrica!
vazão (m³/s)
al
tu
ra
m
an
o
m
ét
ri
ca
(m
)
Hg
DH
ponto de operação
com a bomba 1 ponto de operação
com a bomba 2
ponto de operação
com as bombas 1 e 2
em paralelo
Qr2b
BOMBAS EM SÉRIE
20
vazão (m³/s)
al
tu
ra
m
an
o
m
ét
ri
ca
(m
)
curva do
sistema
as alturas 
manométricas 
das curvas das 
bombas são 
somadas
associação
bombas 1+2
Hg
DH
ponto de operação
com as bombas 1 e 2
em série
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS
Número de bombas:
 pequena elevatória: 2 bombas (1 + 1 reserva)
 média elevatória: 3 bombas (2 + 1 reserva)
 grande elevatória: várias bombas
Localização:
 próxima ou no meio do manancial (captação, água bruta)
 junto ou próximas às ETA’s (água tratada)
 junto ou próximas aos reservatórios de distribuição
 para reforço na adução ou na rede de distribuição (booster)
Escolha: disponibilidade e custo do terreno, energia, 
topografia, características do solo, acesso, desníveis, traçado 
da adutora, interferências, etc. 
21
implantação
em etapas...
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS
Instalação dos conjuntos motor-bomba
 Poço seco:
 conjunto motor-bomba de eixo horizontal
 conjunto vertical de eixo prolongado, bomba não submersa
 conjunto motor-bomba de eixo vertical, bomba não submersa
 Poço úmido:
 conjunto vertical de eixo prolongado, bomba submersa
 conjunto motor-bomba submerso.
 Estação pressurizadora ou “booster”:
 podem ser utilizados vários tipos de conjuntos motor-bomba. 
22
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS
23
Estação elevatória de poço seco com conjunto motor-bomba de 
eixo horizontal (EE-1 da cidade de Jales)
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS
Estação elevatória de poço seco com conjunto motor-bomba de 
eixo horizontal (EEAB-1 da cidade de Franca)
Planta
Corte
24
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS
Estação elevatória de água tratada da 
cidade de Lins
Estação elevatória de recalque dos poções I e 
III da cidade de Fernandópolis
Estação elevatória da cidade de 
Fernandópolis
Estação elevatória do poção I da 
cidade de Jales 25
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS
Estação elevatória da cidade de 
Monte Alto
Casa de bomba da elevatória EE-1 
Canoas da cidade de Franca
Estação elevatória de água tratada da 
cidade de Riolândia
Estação elevatória da cidade de Ubatuba
26
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS DE ÁGUA
Casa de bomba da elevatória de água 
tratada de Taiaçupeba, RMSP
Casa de bomba de uma elevatória da cidade de 
Franca
Estação elevatória de água tratada 
do Sistema Alto Tietê, RMSP
Estação elevatória de água bruta da 
cidade de Taubaté 27
ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS – BOOSTER
28
Booster para recalque de água entre dois reservatórios
NAmax
NAmin
booster
NAmax
NAmin
al
tu
ra
m
an
o
m
ét
ri
ca
m
áx
im
a
L.P. (Qmin,Hgmin)
L.P. (Qmin,Hgmin) a
lt
u
ra
ge
o
m
ét
ri
ca
m
ín
im
a
se a bomba tiver
rotação constante, 
a vazão máxima
ocorre com Hg 
mínima...
o esquema varia
dependendo de 
como é a entrada
no reservatório
superior
ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS – BOOSTER
29
Boosterpara reforço no bombeamento (em série)
E.E.
booster
al
tu
ra
m
an
o
m
ét
ri
ca
ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS – BOOSTER
30
Booster para aumentar a vazão de adução
booster
al
tu
ra
m
an
o
m
ét
ri
caR1
R2
ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS – BOOSTER
31
Estação pressurizadora Aeroporto 
da cidade de Franca
Estação pressurizadora Leporace
da cidade de Franca
ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS – BOOSTER (EM REDES)
Booster com variador hidrocinético 
instalado na Conceição, RMSP.
Booster com inversor de frequência instalado 
no Portal D‘Oeste, RMSP
Instalações do booster Vitápolis com 
inversor de frequência, RMSP
Instalações do booster Munhoz 
Junior no passeio, RMSP 32
POÇO DE SUCÇÃO
Deve ser projetado com forma e dimensões para:
 considerar sua disposição física em relação às outras unidades
da estação (espaçamento entre motores, bombas e tubulações
suficientes para se trabalhar e dar manutenções com folgas).
 permitir a operação adequada das bombas (com intervalo
mínimo entre duas partidas sucessivas de uma bomba)
 impedir a formação de vórtices superficiais e subsuperficiais e 
o arraste de ar (submergência adequada, cones, placas, 
grades, geometria do poço, etc.)
33
POÇO DE SUCÇÃO
outros exemplos e 
detalhes na bibliografia
34
TUBULAÇÕES DA ELEVATÓRIA
35
TUBULAÇÃO DE SUCÇÃO
36
fonte: NBR 12214/1992
TUBULAÇÃO DE SUCÇÃO
37
curva de 
raio longo
e trecho de 
tubulação
ascendente
uso de 
redução
excêntrica
BARRILETE (0,6<V<3 m/s)
38
BARRILETE
39
Bombas centrífugas 
de eixo horizontal
Bombas de eixo vertical
ACESSÓRIOS: REGISTROS DE GAVETA
40
ACESSÓRIOS: VÁLVULAS BORBOLETA
41
ACESSÓRIOS: VÁLVULAS DE RETENÇÃO
42
portinhola duplaportinhola única
fechamento rápido
ACESSÓRIOS: MANÔMETROS 
43
ACESSÓRIOS: VENTOSAS
44
ventosa simples
• expelir o ar deslocado pela água durante o enchimento da linha;
• admitir quantidade suficiente de ar, durante o esvaziamento da linha;
• expelir o ar proveniente das bombas em operação e difuso na água 
(funcionando como uma ventosa simples).
ventosa de tríplice função:
↓
ACESSÓRIOS: VÁLVULA DE PÉ
45
Localização da válvula de pé na 
tubulação de sucção
Válvula de pé com crivo
Mantém a escorva da 
bomba
SISTEMAS DE ESCORVA DE BOMBAS
46
- Válvula de pé
- Ejetor
- Bomba a vácuo
Bomba afogada
Bomba não afogada
Eliminação do ar no 
interior da bomba e da 
tubulação de sucção, 
antes do acionamento 
da mesma.
Tipos de Sistemas
SISTEMAS DE ESCORVA DE BOMBAS
47
ejetor para escorva de bomba
escorva com bomba de vácuo
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS
 Toda alteração de vazões (velocidades) provoca alterações
transitórias de cargas (pressões) até que se estabeleça uma nova 
condição de regime permanente;
 Exemplos: fechamento e abertura de válvulas, paradas bruscas dos 
sistemas de bombeamento, etc.;
 As pressões máximas (sobrepressão de curta duração) podem
superar muito as pressões estáticas ou dinâmicas da operação
normal do sistema;
 As pressões mínimas (subpressão) podem levar ao descolamento da
coluna líquida (vácuo) e/ou ao colapso da tubulação;
 Deve ser verificada SEMPRE a necessidade e o dimensionamento de 
dispositivos de proteção.
48
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS
49
Exemplo: fechamento gradual de válvula no final da adutora:
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS
50
Exemplo: parada brusca do bombeamento
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS
51
 Quantidade de movimento:
 Conservação da massa:
 condições de contorno: bombas, reservatórios, etc.
 determinação de Q(x,t) e H(x,t) 
(método das características)
2 2
1
0
2
f Q QH Q Q Q
g
x A x A t g D A
   
   
     
2
0
H Q Q a Q
t A x g A x
  
  
   
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS
52
 a celeridade “a” (velocidade de propagação das ondas de variação
de pressões) depende de características do fluido e da tubulação, 
principalmente espessura e módulo de elasticidade;
 a celeridade pode variar de poucas centenas de m/s (materiais
plásticos) a mais de 1000 m/s (metálicos);
 as variações de pressão resultantes são diretamente proporcionais à 
variação das velocidades e à celeridade;
 o diagnóstico, a necessidade e as soluções para proteção variam
muito conforme os materiais utilizados nas adutoras, vazões, 
comprimento, perfil, etc.;
 decisões de projeto e dispositivos de proteção podem ser utilizados
para manter as oscilações de pressão dentro de limites aceitáveis.
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS
53
Exemplos de dispositivos 
para proteção
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS
54
Exemplo de um conjunto motor-bomba 
com volante de inércia
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS
55
Exemplo de Chaminé de Equilíbrio
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS
56
Exemplo: Tanque de Alimentação Unidirecional (TAU)
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS
57
Exemplo: Reservatório de Ar 
Comprimido ou Hidropneumático (RHO)
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS
58
Acumulador Hidráulico
(ou Reservatório Antigolpe com Bexiga)
semelhante ao RHO, mas uma bexiga 
separa as fases líquida e gasosa
REDUÇÃO DO CUSTO DE ENERGIA 
ELÉTRICA
Alguns dados da SABESP:
 “avalia a possibilidade de produzir energia por meio de PCHs
ou de usinas térmicas a partir dos gases gerados no 
tratamento de esgoto”
 R$ 460 milhões com energia em 2008
 demanda média: 245 MW
 1,87% da energia elétrica no Estado
A redução de custos pode ocorrer com ou sem redução do 
consumo, através de ações administrativas e operacionais
59
REDUÇÃO DO CUSTO PELA DIMINUIÇÃO 
DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA
 Redução da altura manométrica
 Redução no volume de água a 
ser bombeada
 Aumento no rendimento de 
motores e bombas
60
 redução da altura geométrica
 redução das perdas de carga:
escolha adequada de diâmetros
 limpeza/revestimento de tubulações
 disposição da tubulação na elevatória 
e entrada dos reservatórios
 variadores de rotação
 controle de perdas
 uso racional da água
Q H
P


 

 seleção de bomba adequada e com 
rendimento elevado
 trabalhar próximo ao rend. máximo
61
Lição de casa:
ler páginas 225 a 
336
Exercício
logo depois do intervalo!
62