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DELAIB
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RICA
ÉTRICA
BA, Dr
A
ii
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da
eficiência energética
Dissertação apresentada por Ronaldo Guimarães à Universidade Federal de Uberlândia como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica. Banca Examinadora:
Professor Antônio Carlos Delaiba, Dr. (UFU) – Orientador
Professor Paulo César Abreu Leão, Dr. (UFSJ)
Engenheiro Sérgio Ferreira de Paula Silva , Dr. (Quality)
Professor Décio Bispo, Dr. (UFU)
Uberlândia, 24 de Janeiro de 2008
iii
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da
eficiência energética
Ronaldo Guimarães
Dissertação apresentada por Ronaldo Guimarães à Universidade Federal de Uberlândia como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica.
Profo Antônio Carlos Delaiba Orientador
Profo Darizon Alves de Andrade Coordenador do Curso de
pós-graduação
Uberlândia 2008
iv
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
G963c
Guimarães, Ronaldo, 1969- Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bom-
beamento sob o enfoque da eficiência energética / Ronaldo Guimarães. -
2008.
172 f. : il. Orientador: Antônio Carlos Delaiba. Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Uberlândia, Progra- ma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Inclui bibliografia. 1. Sistemas de energia elétrica - Teses. 2. Energia elétrica - Consumo - Teses. 3. Inversores elétricos - Teses. I. Delaíba, Antônio Carlos. II. Uni-versidade Federal de Uberlândia. Programa de Pós-Graduação em Enge-nharia Elétrica. III. Título. CDU: 621.311
Elaborado pelo Sistema de Bibliotecas da UFU / Setor de Catalogação e Classificação
v
DEDICATÓRIA
DEDICO ESTE TRABALHO AOS MEUS FAMILIARES, EM ESPECIAL À MINHA ESPOSA MARTA, PELO APOIO, MOTIVAÇÃO E PACIÊNCIA DURANTE O TEMPO DEDICADO AO ESTUDO QUE GEROU ESTA DISSERTAÇÃO.
vi
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Antônio Carlos Delaiba, pela valiosa orientação durante a execução
dos trabalhos, pelas palavras sensatas, pela amizade e pela compreensão nos mom
entos difíceis.
Ao Prof. Marcelo Lynce R. Chaves, pela grande colaboração dada ao
compartilhar comigo alguns dos seus conhecimentos em ATP.
Ao Prof. Décio Bispo e ao Engenheiro Sérgio Ferreira de Paula Silva,
pela colaboração dada ao compartilhar comigo alguns dos seus conhecimentos
sobre os equipamentos instalados no laboratório, pelo incentivo e pelas sugestões
que engrandeceram este trabalho.
Aos demais professores e colegas de pós-graduação que sempre estiveram
presentes nos momentos de aprendizado e que foram essenciais à conclusão deste
trabalho.
À Eletrobrás que por meio do convênio do PROCEL/Indústria patrocinou a
construção do Laboratório de Otimização de Sistemas Motrizes da Universidade
Federal de Uberlândia, onde foi realizado este trabalho.
Ao Engenheiro Carlos Aparecido Ferreira (Eletrobrás) pela sua colaboração
na montagem do laboratório.
À FAU pelo apoio financeiro.
vii
RESUMO
Esta dissertação tem por objetivo apresentar uma metodologia de comparação do
desempenho elétrico, mecânico e hidráulico, sob o enfoque da eficiência energética, de
sistemas de bombeamento controlados por válvulas de estrangulamento ou por inversores de
freqüência. O acionamento é realizado pelos motores da linha padrão ou de alto rendimento.
Neste sentido, este trabalho apresenta a simulação no domínio do tempo a partir de uma
plataforma computacional denominada ATP (Alternative Transient Program).
Complementando os aspectos anteriores, a validação da modelagem proposta, é realizada
através da comparação entre os valores simulados e aqueles oriundos dos ensaios
experimentais. Finalmente, deve-se destacar que os experimentos laboratoriais foram
executados no laboratório de eficiência energética da Faculdade de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal de Uberlândia.
Palavras Chave: Eficiência energética, Sistemas de bombeamento, Inversores de freqüência,
Consumo de Energia.
viii
ABSTRACT
This thesis aims to present a methodology for comparing the performance
electrical, mechanical and hydraulic under the focus of the energy efficiency of
pumping systems controlled by valves of strangulation or by the frequency converters.
The trigger is held by engines of the line standard or high efficiency. Therefore, this
paper presents the simulation in domain of time from a computer platform called ATP
(Alternative Transient Program). Complementing the aspects earlier, the validation of
proposal modeling, is performed by comparing the simulated values and those from the
tests. Finally, it should be emphasized that the laboratory experiments were performed
in the laboratory for energy efficiency of the Faculty of Electrical Engineering of the
Federal University of Uberlândia.
Key words: energy efficiency, pumping systems, frequency converters, consumption of Energy.
Motores freqüentemente são expostos a ambientes agressivos, operações
impróprias, entre outras. A ocorrência de falhas incipientes (barras quebradas, rolamentos
danificados, curto-circuito, etc.) e falhas externas (sobrecarga mecânica, desequilíbrio de
fase, subtensão, sobretensão, rotor bloqueado, etc.) é inevitável. Além disso, a degradação
do isolamento dos motores elétricos operando dentro de ambientes agressivos pode ser
acelerada, tornando-os ainda mais susceptíveis a defeitos [20].
Devido a isso é necessária a criação de uma cultura de manutenção rotineira em
motores, adotando medidas como: desobstrução dos dutos de ventilação; secagem
periódica de bobinas de motores submetidos a ambientes poluídos e úmidos; verificação de
rolamentos e mancais; inspeção de conexões elétricas; verificação das condições de
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
21
correias e polias, tanto no sentido de alinhamentos como da avaliação dos esforços radiais
e axiais de modo a evitar esforços de tração além do necessário.
Outras medidas, de caráter mais minucioso podem ser tomadas como, por exemplo,
a observação de:
• Vibrações ou ruídos: deve-se observar a existência de vibrações anormais ou ruídos
estranhos ao motor em perfeito estado de funcionamento. Elas podem indicar
problemas de origem elétrica e mecânica;
• Temperatura dos mancais: Para bom desempenho de suas funções a temperatura do
mancal de máquinas rotativas deve ser a prevista pelo fabricante. Assim, é
conveniente verificá-la através de termômetro;
• Superfície do estator e do rotor: Inspeção visual para determinar a presença de
alguma contaminação ou ferrugem, bem como lascas, borbulhas e arranhões.
2.5.1) O Motor rebobinado
Quando o isolamento (esmalte ou verniz em baixas tensões e papel em altas
tensões) entre as espiras de uma mesma bobina se rompe ou, entre duas bobinas de
diferentes fases ou, ainda entre uma bobina e o núcleo, popularmente, diz-se que houve a
queima do motor. O motor que sofreu o efeito de “queima” pode ser recuperado pelo
processo de rebobinagem, ou seja, a retirada das bobinas danificadas e a substituição por
outras com as mesmas características. Quando é observado grande rigor técnico na
realização do procedimento de rebobinagem, o motor pode alcançar características
próximas às originais.
Estudos realizados em 1999 [21] apontaram como fator preponderante na
preservação do rendimento do motor após o reparo, a qualidade da oficina. É possível,
como ficou demonstrado nas tabelas 2.3 e 2.4, até um aumento no rendimento global do
motor, quando comparado o antes e o depois do reparo. Nesse estudo não foi feita a
comparação de rendimento entre motor reparado e novo. Entretanto, estudos da General
Electric sobre motores de 3 a 150 HP determinaram que as perdas no motor se
incrementam de, em média, 18%, isso é dizer que a eficiência reduz entre 1,5% e 2,5%
[22].
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
22
Tabela 2.3 - Grandezas antes do reparo
Motor Pm (cv) Pav Phf+av Pje Pjr η
1 5 0,042 0,573 0,294 0,139 80,1
2 5 0,045 0,328 0,335 0,173 80,7
3 10 0,059 0,484 0,411 0,179 84,7
4 10 0,093 0,455 0,407 0,138 86,8
5 10 0,036 0,402 0,402 0,177 86,3
6 10 0,142 0,419 0,455 0,196 81,4
7 15 0,104 0,778 0,501 0,204 86,3
8 15 0,046 0,56 0,567 0,286 86,8
Tabela 2.4 - Grandezas após do reparo
Motor Pm (cv) Pav Phf+av Pje Pjr η
1 5 0,041 0,351 0,279 0,128 82,1
2 5 0,061 0,351 0,298 0,179 80,8
3 10 0,056 0,485 0,357 0,164 85,5
4 10 0,049 0,444 0,413 0,122 87,5
5 10 0,023 0,403 0,393 0,174 86,3
6 10 0,084 0,455 0,528 0,193 81,7
7 15 0,08 0,725 0,643 0,204 85,4
8 15 0,0319 0,496 0,555 0,316 86,5
Onde:
Pav = perdas por atrito e ventilação
Phf = perdas por histerese e Foulcalt
Pje = perdas por efeito joule no estator
Pjr = perdas por efeito joule no rotor
Observam-se, em algumas ocasiões, que práticas utilizadas afetam o desempenho
dos motores após o reparo, dentre elas pode-se citar:
• O emprego de materiais de baixa qualidade, sobretudo em isolantes;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
23
• A utilização de maçarico para remoção das espiras danificadas, o que pode causar
alteração, tanto nas propriedades eletromagnéticas do núcleo como no isolamento
entre as chapas aumentado as perdas parasitas;
• Utilização de condutores de cobre de bitola diferente do original propiciando
alteração das perdas no cobre;
• Número de espiras em desacordo com o do projeto original;
• Alteração do diâmetro externo do rotor que altera as condições de entreferro e pode
aumentar consideravelmente a corrente de magnetização.
Conclui-se que o rendimento médio dos motores após o rebobinamento pode até
aumentar, quando verificado o antes e o depois da ocorrência do defeito. Nos poucos casos
onde existiram grandes variações nas perdas por histerese e Foucault pode-se considerar o
fato de que, devido à natureza do defeito (queima por sobrecarga) ou ao método utilizado
na retirada das bobinas defeituosas (aplicação de maçarico), possam ter influenciado nas
características magnéticas do material do núcleo.
Como a estrutura do motor não foi alterada, o pacote magnético, o formato e a
disposição das ranhuras e o rotor permanecem os mesmos, a redução nas perdas por atrito e
ventilação após o rebobinamento, pode ser devida à limpeza e lubrificação executadas
durante o processo de remontagem do motor. Torna-se evidente que procedimentos
simples como limpeza e lubrificação podem ter efeitos sobre o rendimento final do motor e
podem contribuir para redução de consumo de energia elétrica nas indústrias [21, 22].
Uma importante variável na análise de motores reformados ou rebobinados é o
rendimento, este é também o que apresenta maior nível de incerteza. Uma redução de
rendimento é admissível quando compensada pelo reduzido custo da manutenção. Uma
regra prática, segundo a referência [21], é que o custo da manutenção não deve exceder
60% do custo do motor novo.
2.6) Acoplamento motor-carga
A transmissão de potência entre o motor e a carga, é realizada por intermédio de
sistemas de transmissão, ou acoplamentos mecânicos, que podem ser de vários tipos, como
citados a seguir:
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
24
• Acoplamento direto;
• Acoplamento por correias;
• Acoplamento hidráulico;
• Caixas de engrenagens.
A figura 2.8 apresenta um diagrama onde estão representados conjugados, inércias,
velocidades e redutores, que compõem o acoplamento motor-carga.
Figura 2.8 – Diagrama representativo do acoplamento motor-carga
Onde:
R = relação de acoplamento;
Cn = conjugado nominal;
Ccn = conjugado nominal da carga;
Jm = momento de inércia do motor;
Jc = momento de inércia da carga.
a) Acoplamento direto
O acoplamento direto é, em geral, a solução mais econômica, tanto em
investimento de aquisição quanto nas perdas de energia na transmissão (praticamente
nulas). Apesar dessas vantagens, a utilização deste tipo de acoplamento é limitada à
equipamentos e maquinarias que podem trabalhar à mesma velocidade que o motor.
Matematicamente o acoplamento direto pode ser descrito em função da potência, da
velocidade e do conjugado mecânicos, como indicado na equação (2.5) [23, 24].
2. . . (2.5)
Onde:
ω = rotação em radianos por segundo.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
25
b) Acoplamento por correias
A transmissão por correias é uma das mais utilizadas no setor industrial. Isto ocorre
devido à facilidade de se ajustar a velocidade do motor a da máquina e por permitir
diferentes geometrias de conexão entre o motor e a respectiva carga.
Este tipo de acoplamento apresenta, no entanto, perdas médias de energia da ordem
dos 5%, valor este que pode ser melhorado ao se utilizar correias de tipos mais eficientes,
com desenhos otimizados capazes de conduzir mais potência com melhor rendimento.
Considerando os vários tipos de correias fabricadas, a sua eficiência cresce, de acordo com
a seqüência: correias planas, correias de secção trapezoidal (correias em V) e correias
dentadas.
As correias planas apresentam baixo rendimento, com grandes perdas por
escorregamento, devido a isso não são utilizadas na maioria dos novos equipamentos. Às
instalações industriais onde ainda existam equipamentos acionados por correias planas é
aconselhável a substituição por correias mais eficientes, por exemplo correias trapezoidais,
pois a economia de energia resultante da substituição permite a recuperação do
investimento em tempo relativamente curto.
Para este tipo de acoplamento, a correia dentada com polias igualmente dentadas
(correias síncronas) é a melhor solução. Nestas as perdas por escorregamento são
praticamente nulas. Entretanto, a sua utilização em substituição a outras já existentes está
condicionada ao tempo de retorno do investimento, sendo este normalmente aconselhável
para motores de média e alta potência, com um regime de trabalho intenso, ou seja,
superior a 4000 horas/ano.
Independente do tipo de correia utilizado, é fundamental para a eficiência global
do sistema motor-acoplamento-carga, a manutenção adequada. Freqüentemente, por
exemplo, encontram-se sistemas de acoplamentos com polias de múltiplas correias, onde
faltam uma ou mais correias, além de aumentar as perdas, este fato também contribui para
provocar desequilíbrios e vibrações no sistema. Outro aspecto importante na manutenção é
a verificação periódica da tensão das correias (exceto nas correias síncronas), que tem
tendência a afrouxar, ao longo do tempo, provocando maiores escorregamentos e
conseqüentes desperdícios de energia [24, 25].
c) Acoplamento por caixas redutoras e acoplamento hidráulico
A transmissão por caixas redutoras ou acoplamentos hidráulicos, tem os seus
campos de aplicação, normalmente associados a grandes potências, conjugados elevados
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
26
de partida, variação de velocidade, etc. A eficiência destes tipos de acoplamento é elevada,
desde que se cumpram os níveis de manutenção recomendados pelos fabricantes [24].
d) Acoplamento com variação de velocidade:
Acoplamentos onde existem variações de velocidade devem ter o conjugado e a
inércia referidos ao eixo do motor. O equacionamento para esses procedimentos está citado
a seguir [23]:
. (2.6)
. (2.7)
(2.8)
(2.9)
Onde:
Jmc - Momento de inércia da carga referida ao eixo do motor;
ηac - Rendimento do acoplamento;
R - Relação de velocidade do acoplamento.
e) Rendimentos médios para acoplamentos
A título de ilustração a tabela 2.5 mostra os valores médios de rendimentos para
alguns dos tipos de acoplamentos mais utilizados na indústria [23].
Tabela 2.5 – Rendimentos para alguns tipos de acoplamento
Tipo de acoplamento Faixa de rendimento (%)
Direto 100
Embreagens eletromagnéticas 87 – 98
Correias planas 95 – 98
Correias em V 97 – 99
Engrenagens 96 – 99
Correia dentada 97 – 98
Cardã 25 – 100
Acoplamento hidráulico 100
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
27
2.7) Sistema de bombeamento
Bombas hidráulicas têm por função fornecer energia a um fluido, de modo a elevá-
lo (recalcá-lo), por meio de conversão de energia mecânica em energia cinética (ou de
movimento) através de um motor a combustão ou elétrico [26]. Assim, pode-se definir
bombeamento como sendo o ato de se adicionar energia a um fluido com o intuito de
movê-lo de um ponto a outro.
2.7.1) Principais componentes de um sistema de bombeamento
Um sistema de bombeamento é mostrado na figura 2.9, onde é possível visualizar
em (3) a linha de sucção e em (4) a linha de recalque. Os vários componentes estão listados
a seguir [26].
Figura 2.9 – Componentes de um sistema de bombeamento
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
28
Onde:
1- Casa de Bombas;
M – Motor de acionamento;
B – Bomba;
2 – Poço (fonte);
VPC - Válvula de pé com crivo;
CL - Curva de 90º;
3 – Linha de Sucção;
RE - Redução Excêntrica;
VR - Válvula de retenção;
R – Registro;
C – Joelhos;
4 - Linha de Recalque;
5 – Reservatório.
2.7.2) Bomba hidráulica
As principais classificações das bombas hidráulicas são [26]:
i) Quanto à trajetória do fluido
a) Bombas radiais ou centrífugas: trabalham com pequenas vazões a grandes
alturas, com predominância de força centrífuga, são as mais utilizadas atualmente;
b) Bombas axiais: trabalham com grandes vazões a pequenas alturas;
c) Bombas diagonais ou de fluxo misto: é uma combinação das duas anteriores,
caracterizam-se por trabalhar com médias vazões a médias alturas.
ii) Quanto ao posicionamento do eixo
a) Bomba de eixo vertical: utilizada em poços subterrâneos profundos.
b) Bomba de eixo horizontal: é o tipo construtivo mais usado.
iii) Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água
a) Bomba de sucção positiva: quando o eixo da bomba situa-se acima do nível do
reservatório.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
29
b) Bomba de sucção negativa ("afogada"): quando o eixo da bomba situa-se abaixo
do nível do reservatório.
2.8) Bomba centrífuga
O tipo de bomba instalada no Laboratório de Sistemas Motrizes é a bomba
centrífuga, motivo pelo qual esta receberá atenção mais detalhada, tanto na definição
quanto em suas características principais.
Bombas centrífugas são máquinas nas quais a movimentação de um liquido é
produzida por forças que se desenvolvem na massa líquida, em conseqüência da rotação de
uma rotor (impelidor) com um certo número de pás. São aquelas em que a energia
fornecida ao líquido é, primordialmente, cinética sendo posteriormente convertida, em
grande parte, em energia de pressão [27].
Podem ser divididas em centrifugas radiais e tipo Francis:
a) Centrífugas radiais: neste tipo de bomba a energia cinética é obtida de maneira
puramente centrifuga por um impelidor e, transferida à massa líquida.
b) Tipo Francis: é também radial, porém, este tipo de bomba possui impelidor de
palhetas com curvaturas especiais chamadas Francis.
2.8.1) Curvas características ou de desempenho
2.8.1.1) Curvas da bomba
O desempenho esperado de bombas centrífugas é representado através de curvas
características fornecidas pelos fabricantes do equipamento. Essas curvas são levantadas
em laboratório e disponibilizadas em catálogos técnicos. São, basicamente, três as curvas
características tradicionais: curva de carga x vazão, curva de potência absorvida x vazão e
curva de rendimento x vazão. Por definição, vazão é o volume do líquido bombeado por
unidade de tempo, ou seja, vazão é a velocidade de escoamento de um determinado
líquido.
Curvas em função da velocidade não são fornecidas pela maioria dos fabricantes de
bombas centrífugas. Com o tempo, essas curvas se tornarão de suma importância, uma vez
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
30
que o uso de inversores de freqüência como forma de controlar a vazão tende a se
solidificar nos segmentos ou instalações onde uma variação de vazão se faz necessário.
A equação geral das bombas centrifugas é mostrada a seguir:
(2.10)
Onde:
Q = vazão [m3/h];
H = carga hidráulica de pressão [m];
A, B e C = constantes equacionais.
Percebe-se, pela análise da equação (2.10) que a curva (H x Q) será uma parábola,
quando a rotação “n” for constante. Fato semelhante ocorrerá quando a vazão “Q” for
constante a curva (H x n) também, neste caso, terá um comportamento quadrático, ou seja,
parabólico.
a) Curva carga (H) versus vazão (Q)
A carga de uma bomba pode ser definida como energia por unidade de massa ou
energia por unidade de peso que a bomba pode impor ao líquido de modo a obter a vazão
desejada. O equacionamento matemático que representa função H = f (Q), para uma
rotação constate é ilustrado na equação (2.11). Diferentes denominações são encontradas
para a curva H = f (Q). Essas são dadas em função da inclinação da mesma. Assim pode-se
encontrar curva inclinada, curva ascendente-descendente, curva altamente descendente e
curva plana, conforme demonstrado na figura 2.10. As curvas cuja inclinação permite
apenas um ponto de vazão para uma determinada carga é considerada estável. Portanto, a
figura 2.10 indica que, apenas a curva ascendente-descendente é instável e que, devido a
isso ao se confeccionar projetos nos quais esse tipo de máquina deve ser usado é
importante evitar o ponto de trabalho no lado ascendente da curva [27, 28].
(2.11)
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
31
Figura 2.10 – Tipos de curva H x Q
b) Curva rendimento (η) versus vazão (Q)
Em um projeto de bombeamento outra curva de interesse, a curva rendimento (η) x
vazão (Q). Rendimento que por definição é a razão entre a potência útil cedida ao fluido e
potência absorvida pela bomba. Segundo catálogos de fabricantes, o rendimento dessas
bombas, normalmente, varia de 0,45 a 0,75, entretanto, bombas de grandes dimensões
podem atingir rendimento de 0,85. A figura 2.11 ilustra as características da curva η x Q.
Para cada bomba existe uma vazão para a qual o rendimento é máximo. [27, 28].
Figura 2.11 – Curva η x Q
c) Curva potência mecânica (Pm) versus Vazão (Q)
Na figura 2.12, a curva representada é a da potência mecânica (Pm) aplicada na
bomba em função da vazão (Q). Para uma vazão nula, a potência hidráulica aplicada ao
Altamente descendente
Plana
ascendente-descendente
Inclinada
H
Q
Q
η ηmax
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
32
fluido é zero, Ainda assim, uma potência mínima é necessária para manter o giro da bomba
e, esta energia é dissipada em forma de calor. Todavia, a partida da bomba efetuada com a
válvula de saída de fluido fechada é a condição de menor exigência do motor elétrico, o
que pode ser visualizado na figura 2.12. Essa ação reduz o tempo de duração das correntes
de partida do motor e traz um conseqüente aumento da vida útil do equipamento. Por outro
lado, o funcionamento por longo tempo com vazão zero pode causar sobre-aquecimento do
fluido e provocar problemas no sistema bombeamento. A curva de potência pode ser
matematicamente representada como na equação (2.12).
. . (2.12)
Figura 2.12 – Curva Pm x Q
d) As leis de similaridade ou afinidade
Um entendimento da inter-relação dos parâmetros que compõem as curvas
características é necessário para o correto estudo dos sistemas de bombeamento. Se forem
tomadas as grandezas: rotação (n), a vazão (Q), a pressão (p) e a potência (P), o resultado
será proporcionado pelas leis de similaridade, as quais estão relacionadas abaixo:
i) Relação vazão x rotação
(2.13)
ii) Relação pressão x rotação
(2.14)
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
33
iii) Relação Potência x rotação
(2.15)
iv) Relação Torque x rotação
(2.16)
Para que a relação de potência, indicada na equação (2.15) seja válida supôs-se
que o rendimento da máquina permanecesse constante. Entretanto, na prática a variação da
rotação altera o rendimento. A correção dos rendimentos na expressão de potência pode ser
conseguida introduzindo a relação experimental indicada na equação (2.17) [29]:
Com:
1 1,
(2.17)
Além desta, existem outras expressões empíricas para a estimativa da eficiência,
tal como a recomendada na equação (2.18).
, (2.18)
Onde:
η1 = rendimento da máquina antes da alteração da velocidade;
η2 = rendimento da máquina após a alteração da velocidade.
Deve-se salientar, ainda, que as leis de afinidade têm maior grau de precisão
quando a curva de carga do sistema parte da origem, ou seja, do ponto zero. E, mesmo
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
34
sistemas centrífugos, têm uma limitação à qual se pode reduzir sua velocidade sem que se
perca a sua eficiência ou, até mesmo, sua funcionalidade.
2.8.1.2) Curva de carga do sistema
A curva de carga do sistema versus vazão é quem determina claramente a carga, ou
energia por unidade de peso, que a bomba tem que fornecer ao fluido para vencer a altura
manométrica e obter uma determinada vazão.
Para traçar a curva de carga é necessária a definição da altura manométrica, esta
pode ser definida como a altura geométrica da instalação somada às perdas de carga ao
longo da tubulação por onde o líquido irá percorrer durante o processo de bombeamento,
ou seja, é o carregamento que, fisicamente, será percebido pela bomba. Matematicamente
tem-se que:
(2.19)
Onde:
hg = altura geométrica (sucção + recalque);
hf = perda de carga total.
As perdas de carga (hf) referem-se à energia perdida pela água ao longo da
tubulação. Estas são provocadas por atritos entre a água e as paredes da tubulação. As
perdas hf se apresentam de duas formas ao longo da tubulação:
a) Contínuas: referem-se às perdas ao longo da tubulação, sendo função do
comprimento, material e diâmetro;
b) Perdas de carga acidentais: referem-se aos elementos componentes da tubulação,
como, curvas, registros, válvulas, luvas, reduções, ampliações, etc.
Há de se salientar também que para o estudo de todas essas perdas existem tabelas
fornecidas pelos fabricantes dos componentes.
Para o levantamento da equação de carga existem vários métodos. Neste trabalho o
método apresentado é o de Hazen-Willians. Desta forma, a equação H = f(Q), é a seguinte:
Compor
e a áre
qualqu
manom
rtamento elétrico
H hg
a) A relaçã
A pressão
ea da superfí
p γH Onde:
p = pressão
γ = peso es
Bernoulli
uer seção po
altura geom
altura piezo
altura dinâ
A energia
métrica total
A figura 2.
o, mecânico e hid
kQ1,852
ão pressão x
pode ser def
ície sobre a q
o
specífico do
demonstrou
de ser expre
métrica = Z
ométrica = p
mica = V2 /
total especí
l e representa
.13 represent
dráulico de um s
x altura man
finida como
qual a força
líquido a ser
u que a ener
essa em term
~ [m]
p / γ => [(kg
2g => [(m/s)
ífica, que é
ada em term
ta a curva al
Figura 2.
sistema de bomb
35
ométrica
a razão entr
age. Assim,
r bombeado
rgia total e
mos de alturas
f/m2)/(kgf/m
)2 / (m/s2)] ~
a soma da
mos de altura.
ltura manom
.13 – Curva H
beamento sob o e
re força a qu
para um flu
specífica (p
s de coluna d
m3)] ~ [m]
~ [m]
s três parce
.
métrica versu
x Q
enfoque da eficiê
ue um objeto
uido, tem-se
por unidade
de água, ou
elas, é cham
s vazão:
ência energética
2.20
o está expos
que:
(2.2
de peso) e
seja:
mada de altu
a
0
to
1)
em
ura
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
36
Alterações na curva do sistema são obtidas pelas modificações na tubulação, isto
pode ser pelo acionamento de válvulas de retenção. Uma redução de vazão, segundo a
figura 2.13, acarretará aumento de pressão, esse efeito pode ou não ser danoso ao sistema
[28].
2.8.1.3 – Curva de conjugado da bomba versus rotação
O conhecimento da curva de conjugado versus rotação de carga, indicada na figura
2.14, é necessário para o cálculo de tempo de aceleração do conjunto motor-bomba. Na
referida figura estão indicados valores percentuais recomendados pela referência [9] para
valores de conjugados relativos a percentuais de velocidade.
Uma boa aproximação para representar o conjugado no eixo da bomba é indicada
na equação (2.22), onde se pode notar que esta variação tem característica quadrática.
(2.22)
Figura 2.14 – Curva de conjugado versus rotação
O manual de comando e proteção da Weg [9] recomenda para C0 um valor entre
10% e 20% do conjugado nominal quando se desconhece a curva do conjugado da bomba
em função de sua velocidade.
A associação entre as figuras 2.1 (pág. 11) e 2.14, demonstrada na figura 2.15,
mostra o ponto de trabalho do sistema de bombeamento ou de qualquer outro sistema cuja
carga tenha característica centrífuga. O conhecimento dos conjugados médios do motor e
da carga permite estimar o tempo de partida, essencial para a correta determinação do
motor a ser usado no acionamento da carga, principalmente quando da troca de motores em
um determinado processo industrial.
0 20406080
100
0 20 40 60 80 100n(%)
C(%)
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
37
Figura 2.15 - Conjugados médios em função da rotação do sistema de bombeamento
O equacionamento do conjugado médio da carga é obtido, tomando-se como base
as equações (2.23), (2.24) e (2.25).
(2.23)
Da equação (2.22), tem-se:
(2.24)
Substituindo-se a equação (2.24) na (2.23), obtém-se a (2.25):
(2.25)
Por outro lado, o conjugado médio para os motores de indução trifásicos é estimado
pela equação 2.26:
9,81 (2.26)
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
38
Onde “a” assume valores de 0,4, 0,5 ou 0,6 para motores de categoria H, N e D
respectivamente.
Resumindo, o valor médio do conjugado do motor durante a aceleração com tensão
plena pode ser estimado pelas seguintes relações [30]:
a) Motores de categoria N:
Cmm = 0,5(Cp + Cmax)
b) Motores de categoria H:
Cmm = 0,4(Cp + Cmax)
c) Motores de categoria D:
Cmm = 0,6(Cp + Cmax)
A partir dos conjugados médios do motor e da carga, pode-se estimar o tempo de
aceleração (ta) do acionamento, o qual é representado pela equação (2.27):
2 (2.27)
Após o cálculo do tempo de partida, ou de aceleração, a referência [9] sugere que o
tempo de aceleração do sistema deva ser menor que 80% do tempo de rotor bloqueado. Isto
pode ser justificado, pois valores que não se enquadram na condição imposta pela [9] não
estão aptos a suportar oscilações eventuais na tensão durante a partida do motor. Esta
condição permite afirmar que o acionamento durante a partida não deverá causar danos aos
sistemas elétrico e mecânico.
2.8.2 – Estimativa do momento de inércia da carga (Jc)
Uma das maiores dificuldades para se realizar um diagnóstico energético nas
plantas industriais em operação, é o conhecimento do valor do momento de inércia da
carga. Neste sentido, este item segue na direção de mostrar uma possibilidade de estimar
esta grandeza nas instalações de bombeamento. Assim, em um sistema em funcionamento
o momento de inércia da carga pode ser estimado a partir do conhecimento dos conjugados
médios de carga e motor e do tempo de aceleração ou de partida. A equação (2.28) aponta
a relação entre os dados supracitados e o momento de inércia J’ que, neste caso é o valor
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
39
da soma entre os momentos de inércia do motor e da carga (Jm + Jc). Catálogos de
fabricantes de motores fornecem o valor do momento de inércia do motor. Da diferença
entre o valor J’ obtido no cálculo com o valor indicado pelo catálogo, retira-se o valor
referente à carga.
(2.28)
Assim, o momento de inércia da carga pode ser estimado utilizando a equação
(2.29).
(2.29)
Segundo a referência [30], uma outra alternativa para estimar o conjugado médio
da carga, quando esta for quadrática, é apresentada pela equação (2.30). Deve-se salientar
que, Creg ≈ Cn , quando a carga mecânica centrífuga está bem especificada.
(2.30)
Onde:
Creg = conjugado em regime permanente
2.9) O controle de vazão por estrangulamento de válvula
Existe no mercado uma enorme quantidade de tipos de válvulas, algumas
hidráulicas outras com atuador elétrico. Dentre elas:
• Válvulas do tipo on/off - acionamento remoto de unidades ou para operar registros
de grandes dimensões;
• Válvulas redutoras de pressão - tem como utilidade a redução da pressão a jusante
do ponto de instalação;
• Válvulas sustentadoras de pressão e válvulas de alívio - aplicam-se onde é
necessário manter uma pressão inferior a um determinado limite. São utilizadas
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
40
para limitar a vazão num bombeamento com desnível negativo (bombeamento para
“baixo” quando da partida do motor) e para limitar a vazão às zonas baixas,
mantendo pressão nas zonas altas,etc;
• Válvulas controladoras de nível - têm seu campo de atuação preferido na prevenção
de extravasamentos;
• Válvulas limitadoras de vazão - mantêm a vazão do sistema de abastecimento de
água dentro dos limites desejados;
• Válvulas para a prevenção de golpe de aríete.
2.9.1) O efeito do estrangulamento de válvula na curva do sistema
A técnica de se usar válvulas de estrangulamento consiste em controlar vazão do
sistema através da abertura ou fechamento parcial de uma válvula instalada em série com a
bomba. Este controle é possível em bombas centrífugas porque estas possuem um limite
inerente de maior pressão na descarga, portanto a bomba pode sofrer estrangulamentos na
escala sem sofrer danos [31]. A figura 2.16 mostra uma sucessão de pontos de operação
gerados pelo fechamento progressivo de uma válvula estrangulamento. Pode-se notar que à
medida em que se faz o fechamento da válvula a vazão do sistema vai sendo reduzida,
enquanto a pressão vai gradualmente aumentando e se transformando em perda de carga
adicional
Figura 2.16 – Efeito da ação de válvulas de estrangulamento
Como a alteração que esse tipo de atuador provoca é na curva do sistema e não na
curva da bomba, sempre que se fizer necessário a redução de vazão essa alteração resulta
em um aumento de pressão. A equação (2.31) demonstra que, a redução de vazão por este
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
41
método pode não trazer ganho de potência substancial, uma vez que, tanto vazão quanto
pressão fazem parte do numerador.
QH
(2.31)
2.10) Inversor de freqüência em sistemas de bombeamento
As curvas características da bomba, citadas anteriormente, podem sofrer
modificações. As mais importantes são causadas por: variações na rotação da bomba, no
diâmetro do rotor, as características físicas do líquido a ser bombeado, o tempo de serviço
da máquina e alterações na característica da tubulação. Como o interesse primordial desse
estudo é o uso racional da energia elétrica em sistemas de bombeamento, será analisada de
modo mais profundo apenas a variação de velocidade, que pode ser obtida pelo uso de
inversores de freqüência.
Em condições energeticamente desfavoráveis, os inversores de freqüência vêm
ganhando espaço ao trazer consigo a missão de racionalizar o uso da energia elétrica
alterando a operação do sistema de abastecimento, reduzindo a potência à ordem do cubo
da razão entre velocidades, quando trabalha com vazões menores que a vazão nominal do
sistema de bombeamento. Os inversores de freqüência são equipamentos eletrônicos que,
acoplados ao conjunto motor-bomba, têm a função de controlar da velocidade de rotação
dos motores elétricos a corrente alternada (AC).
2.10.1) O inversor de freqüência
Inversores de freqüência estão disponíveis no mercado para dois tipos de controle:
o escalar e o vetorial. O inversor, por controle escalar, é uma função de V/F
(tensão/freqüência), não oferece altos torques em baixas rotações, pois o torque é função
direta da corrente de alimentação, não da tensão. A parametrização se faz, no inversor
escalar pela curva V/F apontada na figura 2.17. Este é indicado para partidas suaves,
operação acima da velocidade nominal do motor e operação com constantes reversões.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
42
Figura 2.17 – Curva tensão versus freqüência
O inversor por controle vetorial não possui uma curva parametrizada, essa curva
obedece à solicitação do torque, assim, este possui circuitos que variam a tensão e a
freqüência do motor através do controle das correntes de magnetização e de rotor no motor
de indução. O inversor vetorial é indicado para torque elevado com baixa rotação, controle
preciso de velocidade e torque regulável [32].
Considerando as leis de similaridade citadas anteriormente, o efeito produzido pela
variação da rotação sobre as características do bombeamento pode ser visto nas equações a
seguir. Seja a curva altura manométrica x vazão (H x Q), para a rotação nominal, dada por
um ajuste polinomial de segunda ordem da curva do fabricante, sendo a, b e c coeficientes
de ajuste da curva:
(2.32)
A curva carga x vazão para uma rotação qualquer n, poderá ser escrita como:
(2.33)
A dependência da rotação n com a freqüência f é dada pela relação:
120 (2.34)
Onde:
f = freqüência;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
43
p = número de pólos.
No Brasil, a rotação nominal é obtida pela aplicação da freqüência de 60 Hz na
equação (2.34), então a equação (2.33) pode ser redigida em função da freqüência como
apresentada pela equação (2.35):
(2.35)
As demais curvas características da bomba podem ser obtidas de forma análoga a
apresentada para a curva de carga.
A figura 2.18 apresenta a curva da bomba para diferentes valores de velocidade.
Figura 2.18 – Variação da curva de trabalho de uma bomba centrifuga pela variação da velocidade
Percebe-se, pela análise da figura 2.18, que a variação da velocidade provoca
variações diretamente proporcionais de carga e vazão. Este efeito, quando se faz necessária
a redução de vazão reduz a pressão, ao contrário do que ocorreria se a redução de vazão
fosse obtida pela utilização de válvulas de estrangulamento.
2.10.2) Obtenção das curvas características para diversas rotações a partir da
curva original
É comum que fabricantes de bombas centrífugas forneçam a curva para a
velocidade nominal da mesma. Porém, quando é desejável curvas, com boa confiabilidade,
para outras rotações, o seguinte procedimento oferece uma solução: a partir do
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
44
conhecimento dos vários pontos (Q1, H1) e (Q1, P1) na curva original e, através da lei de
similaridade, obtém-se os valores (Q2, H2) e (Q2, P2) na velocidade desejada. O gráfico
plotado dos pontos (Q2, H2)e (Q2, P2), também chamados pontos homólogos, gerará a
curva característica para essa velocidade. O resultado deste procedimento está ilustrado na
figura 2.19.
Figura 2.19 – Efeito da rotação nas curvas características
Deve-se salientar aqui, que a curva de rendimento (η) versus vazão (Q) é obtida
considerando o fato de que o rendimento nos pontos homólogos é similar. Este fato pode
ser observado na expressão de potência fornecida pela equação (2.36):
(2.36)
Ao se proceder a uma análise pormenorizada na equação (2.36) e considerar as
proporcionalidades: Q α n, H α n2 e P α n3, conclui-se que pontos homólogos devem ter
rendimentos muito próximos do rendimento nos pontos originais [27].
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
45
2.10.3) Considerações sobre a utilização de inversores de freqüência
Ao se variar a freqüência de alimentação de um motor CA, varia-se a velocidade do
rotor desde f = 0 até a máxima variação permitida pelo conversor. O comportamento do
motor permanece da mesma forma, entretanto deslocado na rotação conforme a freqüência
como indicado na figura 2.20.
Figura 2.20 – Curva de conjugado x rotação da bomba para diversas velocidades
Segundo a literatura especializada existem duas faixas de operação, uma com fluxo
constante, até a freqüência nominal, e outra com enfraquecimento de campo que
corresponde àquela acima da freqüência nominal.
Entretanto, algumas considerações devem ser tecidas a respeito das faixas de
operação:
• Se o motor é alto-ventilado, terá sua capacidade de refrigeração reduzida a
baixas velocidades;
• A tensão de saída dos conversores apresenta componentes harmônicos, estes
podem provocar aumento de perdas no motor;
• Maior aquecimento pela presença de correntes harmônicas e a redução de
ventilação podem reduzir o rendimento.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
46
Devido à existência de zonas onde o fluxo magnético sofre variações, fabricantes
de motores recomendam a redução do conjugado e da potência aplicada ao motor quando,
pela ação do conversor de freqüência, atingem-se essas zonas de baixo fluxo magnético. A
figura 2.21 apresenta a indicação de um conhecido fabricante de motores recomendando
valores de conjugado máximo em função da variação da freqüência [9].
Figura 2.21 – Recomendação de torque em função da freqüência
para motores acionados a inversores de freqüência.
Onde k é uma constante a ser multiplicada ao conjugado máximo permitido pelo
motor de indução. Para este fabricante, k deve variar de 0,7 a 1 dependendo do conteúdo
harmônico injetado na rede pelo próprio inversor de freqüência somado ao conteúdo
presente. Na impossibilidade de se obter tais harmônicos é recomendado que se utilize k
entre 0,8 e 0,9.
2.11) Comparação entre os métodos válvula de estrangulamento e
controle de velocidade
Na figura 2.22 estão representados os efeitos da utilização do inversor de
freqüência e das válvulas de estrangulamento. Pelo método de estrangulamento de válvula
o ponto de operação com menor vazão implica em um aumento de pressão, portanto, a
potência sofre poucas variações. Por outro lado, com a alteração da velocidade, para a
mesma vazão obtida pelo sistema anterior, há uma redução na vazão e na pressão. A
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
47
economia (quadro cinzento) é evidente e obedece a equação de similaridade já mostrada
pela equação (2.14) e ilustrada na figura 2.22.
Figura 2.22 – Comparativo entre controle de vazão por estrangulamento de válvula e inversor freqüência
Na figura 2.23, as curvas representam a evolução da potência elétrica pela variação
da vazão por meio de válvulas de estrangulamento em 1 e, por controle eletrônico em 2. A
curva 1 pode ser aproximada por uma reta, pois representa a equação 2.31 que tem
características próximas às lineares [33]. A curva 2 obedece às leis de similaridade
(equações 2.13 e 2.15), como descrito a seguir:
Se (Q1/Q2) = (n1/n2) e, (P1/P2) = (n1/n2)3
Então:
(P1/P2) = (Q1/Q2)3
Assim, para a obtenção de uma vazão de 80% do valor nominal deve-se reduzir a
velocidade para 80%. Desta forma, a potência necessária ao acionamento da carga será de,
aproximadamente, 50%. Entretanto, o rendimento também é alterado (equações 2.17 e
2.18), e assim a economia de energia elétrica é de cerca de 45%.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
48
Figura 2.23 – A potência elétrica comparativa entre os dois métodos: válvula e inversor
2.12) Possibilidades de economizar energia elétrica em sistemas
de bombeamento
Vistos de forma separada os parâmetros associados a um sistema de bombeamento
não proporcionam uma visualização correta da amplitude das perdas de energia ao longo
do sistema [36]. Ao se proceder a uma análise pormenorizada da figura 2.24, percebe-se
que as possibilidades para ações que visem o uso eficiente de energia são grandes. Em
média 50% da potência é utilizada de modo a produzir trabalho útil, os outros 50% se
perdem pelo caminho em forma de vazamentos, aquecimentos ou quaisquer outros tipos de
perda que por ventura venham a ser associadas a esse procedimento.
Figura 2.24 – Balanço médio de energia em um sistema hidráulico
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
49
As principais oportunidades de redução de consumo de energia elétrica vêm
através da análise da expressão (2.31), transcrita a seguir, onde está representado o cálculo
da potência elétrica necessária para o funcionamento de uma bomba centrífuga. Verificam-
se seis fatores presentes no cálculo da potência elétrica: o peso específico (γ), os
rendimentos (ηb, ηm e ηac), vazão (Q) e altura manométrica (H). Destes fatores - os
rendimentos (da bomba, do motor e do acoplamento) influenciam de forma inversamente
proporcional e os outros três (peso específico, vazão bombeada e altura manométrica total)
afetam de modo direto no resultado da potência necessária para realizar tal trabalho. A
otimização de qualquer um destes itens reflete no consumo final da instalação. Assim, ηb,
ηm e ηac não podem ser alterados a não ser quando da confecção do projeto da instalação,
entretanto, esses rendimentos têm um ponto de trabalho onde se tem máxima eficiência.
Buscar o máximo rendimento, neste caso, é garantir valores próximos aos nominais de
operação, limpeza e lubrificação adequadas, o melhor método de acoplamento, etc. Os
parâmetros vazão (Q) e altura manométrica (H) podem ser trabalhados ao se evitar, sempre
que possível, técnicas como estrangulamento de válvulas, por exemplo, que aumentam as
perdas no processo.
Outra possibilidade, sempre que possível, é variar a velocidade dos motores de
modo a buscar o ponto de funcionamento no qual a bomba tem seu maior rendimento,
conforme a demanda varie no decorrer do período.
2.13) Viabilidade econômica
Várias formas de análise financeira, especialmente as de ordem econômica,
podem ser feitas ao se buscar o melhor investimento. Estas podem e devem envolver
diferentes pontos de vista e com diferentes objetivos. Cada tipo de análise financeira
determina um parâmetro econômico e este é que será usado na tomada da melhor decisão.
As análises financeiras determinam os seguintes fatores: tempo de retorno do investimento
(simples e capitalizado), economia mensal obtida com a aquisição de um bem ou serviço,
custo operacional desse investimento ao longo de sua vida útil, entre outros.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
50
Descrevem-se a seguir as principais variáveis da análise econômica tendo em
vista a forma de determinação dessa análise. Esta sempre se vale da comparação entre dois
tipos de investimento.
2.13.1) Tempo de retorno simples
É o tempo necessário para que o capital investido apresente retorno na forma de
redução de custo operacional ou de ganhos financeiros. Geralmente o tempo de retorno
simples é expresso em meses. O tempo de retorno aceitável deve ser estabelecido pelo
consumidor e que se expressa de forma particular de cada empresa. Como exemplo, a
compra de equipamentos mais eficientes é mais dispendiosa, por outro lado, o custo
operacional é menor. O cálculo da determinação do tempo de retorno do investimento,
fornecidos pelas equações (2.37) e (2.38), permite que se estabeleça uma forma de avaliar
se o retorno do investimento se dará a curto, médio ou longo prazo, ou até mesmo se não
haverá retorno ao longo da vida útil do equipamento.
CE
(2.37)
Δ (2.38)
Onde:
Trs - tempo de retorno simples em meses;
ΔCa - custo adicional de investimento;
ΔE - economia mensal em R$/mês;
Ca1 - custo do investimento 1;
Ca2 - custo do investimento 2.
Não existe um valor definido para o tempo de retorno econômico que atenda a
todos os casos, uma vez que isto faz parte da escolha do investidor, que é de foro subjetivo,
e da comparação com as outras formas de investimento do capital. O mais usual é
considerar o tempo médio de vida útil de um equipamento. Como exemplo, a aquisição de
um motor da linha padrão ou de alto-rendimento, com vida útil média de 13 anos, a
literatura recomendada aponta um tempo médio aceitável para retorno de investimento
quando inferior a 2 anos [34, 35].
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
51
2.13.2) Tempo de retorno capitalizado
O tempo de retorno também pode ser, por exemplo, mensal e considerar uma taxa
de juros de modo que a economia seja parcelada. Considerando uma taxa de juros i em
valores percentuais e considerando k períodos (meses) obtêm-se o seguinte valor presente
das parcelas mensais [34]:
Δ Δ (2.39)
ΔET - valor presente das parcelas mensais;
k - meses considerados na capitalização.
A fim de se determinar o tempo de retorno capitalizado deve-se igualar o valor
presente com o custo adicional e considerar o número de períodos como incógnita,
conforme mostra a equação (2.40).
Δ Δ (2.40)
Aplicando logaritmos nos dois lados da equação, tem-se o tempo de retorno de
investimento:
C (2.41)
2.13.3) Valor presente líquido (VPL)
Neste método, o critério de decisão quanto à aceitação ou não da alternativa é a
verificação se o VPL é positivo. Por definição, valor presente é a soma algébrica entre o
valor das entradas de caixa no tempo inicial e os investimentos ao longo da vida útil do
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
52
projeto. Caso esse projeto seja implementado ele deverá ser capaz de aumentar o
patrimônio líquido da empresa.
Matematicamente:
1 1
Onde:
Rj = valor atual das receitas;
Cj = valor atual dos custos;
i = taxa de juros;
j =período em que as receitas ou os custos ocorrem;
n = número de períodos ou duração do projeto.
Também é intuitivo o entendimento de que, no caso de alternativas excludentes
mutuamente, aquela que apresenta o maior VPL deve ser priorizada, considerando apenas a
análise econômica. O “valor da empresa” ficará acrescido do VPL após o período
considerado nessa análise econômica.
2.13.4) Exemplo de aplicação
Numericamente, serão apresentados apenas os itens (2.10.1) e (2.10.2) por serem os
de uso mais comuns entre engenheiros.
Para uma determinada aplicação foi especificado um motor com as seguintes
características: 30 cv; 220 V; 3500 rpm; 60 Hz. O motor deverá funcionar com a potência
nominal durante 24 horas por dia. Deseja-se fazer uma análise econômica para verificar a
viabilidade da aquisição de um motor de alto rendimento. O preço do kWh pago pelo
consumidor é de R$ 0,224 / kWh (tarifa média industrial, junho/2007, site: ANEEL). A
taxa de juros a ser considerada é de 1,5% ao mês.
Os valores de preços de motores aqui utilizados são de 2006, pois se utilizou o
banco de dados do software BDmotor 4.2 (3/2007).
(2.42)
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
53
Motor linha padrão: η (100%) = 91%; preço (Ca1) = R$ 2610,72.
Motor de alto rendimento: η (100%) = 92%; preço (Ca2) = R$ 3782,83.
Solução:
i) Economia anual com o motor de alto rendimento:
Considerando:
Pe1 = potência elétrica do motor da linha padrão;
Pe2 = potência elétrica do motor da linha de alto rendimento.
Pe1 = 0,736 x 30 / 0,91 = 24,264 kW
Pe2 = 0,736 x 30 / 0,92 = 24 kW
ΔPe = 0,264 kW
Considerando R$ 0,224 como valor do kWh cobrado:
ΔE = 0,264 x 0,224 x 720 = R$ 42,58 / mês
ii) Tempo de retorno simples:
ΔCa = 3782,83 - 2610,72 = R$ 1172,11
Trs = 1172,11 / 42,58 = 27,53 meses
Conforme citado, trata-se de tempo de retorno simples, desta forma não foi
considerada a capitalização do montante investido, o adicional de R$ 1172,11 necessário
na compra do motor de alto rendimento retornará em 28 meses.
iii) Tempo de Retorno Capitalizado
A taxa de juros a ser considerada é de 1,5% ao mês.
,
, , ,
,
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
54
Trc = 35,77 meses
Neste cálculo foi utilizada uma taxa de juros de 1,5% ao mês na capitalização dos
recursos investidos. O tempo de 35,77 meses, ou 3 anos, é longo, mas se for levado em
conta uma vida útil média de 13 anos para este tipo de motor, eventuais reajustes de preços
de tarifas de energia, entre outros fatores pode ser compensativo o investimento na
aquisição do motor de alto rendimento.
iv) Retorno de investimento calculado pelo BDMotor 4.2
Adicionalmente, os mesmos valores foram inseridos no BDMotor e a figura 2.25,
aponta como 28 meses o tempo de retorno de investimento. O tempo calculado pelo
software é coerente com aquele encontrado no item (ii) para tempo de retorno simples. Por
não levar em consideração os juros que incidiriam sobre o montante investido, deve ser
usado apenas como uma aproximação do tempo de retorno do investimento. É possível,
ainda, em última análise somar a esse capital um percentual de atratividade que justifique
sua aplicação.
Figura 2.25 – Tela de retorno de investimento do software BDMotor
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
55
2.14) Considerações finais
Ao longo do capítulo foram apontados aspectos importantes sobre motores,
acoplamentos, bombas, os mais variados tipos de acionamentos, entre outros. A intenção
foi de ressaltar pontos chaves em cada um destes componentes. Assim, qualquer medida de
eficientização energética em uma parte isolada do sistema, que pode ou não causar impacto
sobre as demais partes, deve ser avaliada de modo a saber se a medida é ou não produtiva.
Esses impactos devem ser quantificados e considerados sob a luz das avaliações técnicas e
econômicas.
Resumidamente, existem duas formas de se otimizar o uso da energia elétrica no
funcionamento de sistemas de bombeamento.
A primeira forma é direta e consiste na utilização de instalações tecnicamente
adequadas, ou seja: utilizar tubulações bem dimensionadas; manter a tubulação em bom
estado de conservação; concepções adequadas de projeto e de operação que evitem o
desperdício com altas pressões na rede; quando possível variar a velocidade dos motores
elétricos com a utilização de inversores de freqüência, de modo a adequar o ponto de
funcionamento da bomba ao seu máximo rendimento; escolher o conjunto moto-bomba
com melhor rendimento para o ponto de trabalho desejado; entre outros.
A segunda não economiza em energia elétrica, mas reduz custos com a mesma,
consiste em evitar ou se reduzir o consumo energético nas horas de ponta uma vez que as
concessionárias incentivam esse procedimento por intermédio de sua estrutura tarifária
diferenciada. Isso se consegue mediante um arranjo adequado de reservatórios, de modo a
permitir a paralisação ou a redução da vazão bombeada em determinadas horas.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
56
Capítulo 3
Descrição da Estação de Trabalho do Sistema de
bombeamento
3.1) Introdução
Para o melhor entendimento das características e funcionalidades da estação de
trabalho, esta será inicialmente apresentada em forma de plantas didáticas. O objetivo é
apresentar detalhadamente todos os equipamentos envolvidos nesta planta, tais como:
medidores de grandezas elétricas e mecânicas; atuadores de vazão, pressão, etc;
acionamentos com partida suave, partida direta e inversor de freqüência. Todos
desenvolvidos para aplicação de comando e controle industrial. A planta está apta a
simular diversas condições operativas de cargas comumente utilizadas em processos
industriais.
3.2) Estação de trabalho do LAMOTRIZ
3.2.1) Características gerais da planta industrial
A estação de trabalho da bomba centrífuga é equipada com um sistema completo de
controle e acionamento, em painel independente, contendo três formas distintas e
autônomas de partida, quais sejam: partida direta, soft-starter e inversor de freqüência.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
57
Nesta estação de trabalho estão instalados um motor de linha padrão e um da linha alto-
rendimento, ambos podem acionar a carga de modo independente através de um sistema de
trilhos que permite uma rápida e simples troca de motores. Neste sentido, as figuras 3.1 e
3.2 mostram através de fotografias, uma visão geral da planta industrial do LAMOTRIZ.
Figura 3.1 – Visão geral da bancada do sistema de bombeamento
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
58
Figura 3.2 – Equipamentos de informática
Para monitoramento e controle, a bancada é equipada com computador dedicado,
no qual está instalado o sistema supervisório confeccionado com o software Indusoft 6.1
SP2. O módulo de carga é composto por: uma bomba centrífuga, dois reservatórios de água
e, também, por dispositivos sensores e atuadores. No painel de controle e atuação, ainda,
estão instalados o controlador lógico programável (CLP), medidor de grandezas elétricas e
elementos de acionamento e proteção como contatores, disjuntores e fusíveis.
A planta industrial forma um sistema de acionamento completo, composto por
proteção e medição; sistemas de automação e medição integrados, capazes de controlar
automaticamente a execução, a coleta de dados e a emissão de relatórios. O acionamento é
composto por dois motores (convencional e alto rendimento) e pelos três modos de partida
citados anteriormente, permitindo a visualização de diversas formas de controle e operação
de equipamentos industriais similares e de maior porte, com uma variação controlada da
carga aplicada ao motor elétrico.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
59
O sistema é dividido em duas bancadas, sendo que a primeira contém um
microcomputador (CPU, monitor, teclado, no-break e mouse), onde se encontra instalado o
sistema supervisório e a segunda abriga o sistema de comando e os elementos de
acionamento e proteção. Adicionalmente, esta estação de trabalho também é responsável
pela medição dos parâmetros elétricos de entrada dos motores, bem como o
acondicionamento do sistema de aquisição dos dados mecânicos, hidráulicos e térmicos.
A planta possui uma comunicação interna via Modbus RTU, com velocidade de
19.200, 8 data bits, 1 stop bit, sem paridade. Esta rede interliga o CLP, os acionamentos
(partida suave, inversor de freqüência e partida direta) e o medidor de energia elétrica. A
rede de comunicação da bancada da bomba centrífuga está representada na figura 3.3.
Figura 3.3 – Rede de comunicação da bancada da bomba centrífuga
Compor
sistem
dinam
dimen
estaçã
ambas
sejam:
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rtamento elétrico
3.2.2 – Ca
O presente
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Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
61
Figura 3.5 – Diagrama orientativo da bancada da bomba centrífuga
O módulo de carga é composto por dois reservatórios com capacidade de 100 litros
cada, de material transparente (acrílico), sendo que o primeiro foi instado na parte inferior
da bancada e o segundo a uma altura de 2 metros. Entre os reservatórios está instalado um
duto de escoamento com uma válvula elétrica de retenção e um by-pass, feito com uma
M
BANCADA – 1 DINAMÔMETRO
IF
Controle e
Aquisição de dados
3F+N+T 220/127 V – 60
T M
BANCADA – 1 BOMBA CENTRÍFUGA
P V
T
Multi Medidor
N
M
BANCADA – VISTA SUPERIOR
CP
SUPERVISÓRIO BOMBA
SWITCH
I/O
Modbus
Analógico TorqueEthernet
M
θ θ
C
C
SS IF
C C
PD
C
C C
D
C – Contator PD – Partida Direta IF – Inversor de Freq. SS – Partida Suave CP – Controlador ProgramávelV – Sensor de Vazão P – Sensor de Pressão N – Sensor de Nível T – Sensor de Torque Θ – Sensor de velocidade M1 – Motor Convencional M2 – Motor Alto Rendimento D – Dinamômetro
Compor válvul
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pressã
os sen
instant
reserv
princip
funcio
rtamento elétrico
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A tabela 3
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Em ambos os
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Figura 3.6 – R
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Reservatório su
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3.6 mostra
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Os
eu
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
63
Tabela 3.1 – Componentes presentes na estação de bombeamento
Item Quant. Ref. Descrição Modelo Fabricante
1 1 LIT-01 Transmissor de pressão diferencial
EJA110A-DM Yokogawa
2 1 FIT-01 Transmissor de pressão diferencial
EJA110A-DM Yokogawa
3 1 PIT-01 Medidor de pressão manométrico
LD-301 Smar
4 4 LSH/LSL Chave de nível tipo bóia magnética
RFS Contech
5 1 XV-01 Válvula solenóide Tipo 521 AICAS
6 1 XV-02 Válvula solenóide Tipo 521 AICAS
7 1 XV-03 Válvula solenóide Tipo 521 AICAS
8 1 PI-01 Manômetro petroquímico Módena
9 1 FV-01 Válvula de controle eletropneumática
RC-WCB Foxwall
10 1 FE-01 Placa de orifício Digitrol
11 1 Manifold Digitrol
12 1 Torquímetro MKDQ150 MK
13 1 Sensor infravermelho Vicro
13 1 Motor Convencional HD67106 Weg
14 1 Motor alto-rendimento GE30500 Weg
15 1 Bomba centrífuga 92SHB Schneider
3.2.3) Os motores
As características de placa dos motores de indução trifásicos utilizados no
LAMOTRIZ são especificadas na seqüência deste trabalho :
• Motor da Linha Padrão: WEG: Modelo: HE36350; Grau de Proteção: IP55;
Como evidenciado nos itens anteriores para motores de pequeno porte, onde a
diferença de rendimento entre motores convencional e da linha de alto-rendimento é
pequena, a aquisição do motor de maior rendimento pode não significar redução de
potência na entrada do motor uma vez que suas tolerâncias podem coincidir em um
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
95
determinado momento. Entretanto para motores de grande porte essa possibilidade é
mínima.
4.2.2) Altura manométrica
O diagrama referente ao sistema hidráulico da estação de trabalho de bombeamento
é mostrado na figura 4.1. Nesta figura é possível visualizar o diâmetro da tubulação, ¾ de
polegada, bem como, as alturas geométricas de sucção e recalque. A indicação da
localização dos vários sensores e atuadores presentes na linha também foram contemplados
pela figura 4.1, e os detalhes estão listados e ilustrados no capítulo 3, na tabela 3.1. A
tubulação de sucção tem 0,73 m de altura e um comprimento linear de tubulação de 1,24
m, a de recalque tem 1,17 cm de altura geométrica e 2,52 m de tubos instalados.
Figura 4.1 - Sistema hidráulico da estação de bombeamento
a) Cálculo das perdas localizadas
Para o cálculo de perdas localizadas foram utilizadas tabelas de conversão de perda
de carga nas conexões hidráulicas em comprimento equivalente de tubulação [29]. Estas
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
96
tabelas, recomendadas por fabricantes de tubos e conexões, que por serem de uso comum
não estão reproduzidas neste trabalho. A tabela 4.1 aponta os valores para as conexões
presentes na bancada.
Deve-se salientar ainda que os medidores e sensores presentes na estação de
trabalho e estudo em questão, que não apresentaram em seus manuais a perda de carga
localizada, teve seu valor estimado como o de uma conexão em “T” com passagem direta.
A solução mostrou-se coerente na medida em que os cálculos foram sendo desenvolvidos.
Tabela 4.1 – Valores de comprimento equivalente para as conexões presentes na bancada
Componente Quant. Comp. Eq. Unit. Comp. Eq. Total
União 1 0,01 0,01
Saída de canalização 1 0,5 0,5
Curva de 90° 4 0,4 1,6
Joelho 90° 4 0,7 2,8
Tubo em S 1 0,8 0,8
T - passagem direta 3 0,4 1,2
T - passagem lateral 1 1,4 1,4
Válvula globo 1 6,7 6,7
Registro de ângulo 1 3,6 3,6
Luva de redução 2 0,29 0,58
Válvula de crivo 1 5,6 5,6
Total 24,79 metros
b) Perda de carga distribuída
i) Utilização de tabelas
O atrito exercido na parede interna do tubo quando da passagem do fluído pelo seu
interior também provoca perdas, a tabela 4.2 mensura essas perdas através de coeficientes,
um valor percentual somado ao comprimento total da tubulação, em função do diâmetro
interno da mesma e da vazão desejada [29]. Na referida tabela, 36,5 é o valor percentual de
tubulação a ser somado ao comprimento linear de tubos instalados.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
97
Tabela 4.2 – Valores de perda de carga nas tubulações
Perda de carga em tubulações de ferro fundido (%)
Vazão m3/h 3/4" 1" 1 1/4" 1 1/2" 2"
0,5 1,3 0,4 0,1 0,1
1 4,8 1,6 0,4 0,2 0,1
1,5 10,1 3,4 0,9 0,4 0,1
2 17,2 5,8 1,5 0,7 0,2
2,5 26,1 8,8 2,3 1,1 0,3
3 36,5 12,3 3,2 1,5 0,5
3,5 48,6 16,4 4,2 2 0,6
4 62,2 21 5,4 2,6 0,8
4,5 77,3 26,1 6,7 3,2 1
5 94 31,7 8,1 3,9 1,2
Assim, a perda de carga na tubulação = (Comprimento linear da tubulação +
Comprimento equivalente) x Fator de perda de carga.
Perda de carga = (3,76 + 24,79) x 0,365 = 10,42 mca
Para a altura manométrica (H), tem-se a soma das perdas de carga e altura
geométrica:
H = 1,9 + 10,42 = 12,32 mca
ii) Pelo método de Hazen-Willians
Pela formulação de Hazen-Willians e tomando-se como base a equação (4.1), o
resultado para altura manométrica total é ligeiramente inferior para uma vazão de 3m3/h.
, . , ., , (4.1)
Onde:
Q = Vazão em m3/s;
L = Comprimento da tubulação em m;
C = Representa o estado de conservação das paredes do tubo;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
98
D = Diâmetro da tubulação.
H = 9,46 mca
iii) Método de Darcy-Weisbach
A expressão (4.2) utilizada foi a chamada “fórmula de Darcy-Weisbach”, onde
apresenta uma conceituação mais precisa e é recomendada pela Norma Brasileira (ABNT -
NBR 12218 - Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público).
Também é mais utilizada na Europa [33].
..
. (4.2)
Onde, na expressão, “g” é a aceleração da gravidade local e “f” é o fator que
procura representar o estado de conservação das paredes internas da tubulação.
O fator “f” pode ser calculado pela equação (4.3), e associa o coeficiente de
rugosidade interna do tubo (ε), que varia para o aço galvanizado novo entre 0,102 a 4,6
[33] com o Número de Reynolds (Re).
,
.,,
(4.3)
Por sua vez, Re é um número adimensional que retrata o tipo de movimento de um
fluido: se laminar ou turbulento. É calculado em função da velocidade do escoamento (U),
do diâmetro interno da tubulação e do coeficiente de viscosidade cinemática do fluido (ν),
e é representada pela equação (4.4):
.
(4.4)
O escoamento é considerado turbulento quando esse número é superior a 4000 e laminar quando é inferior a 2000, havendo uma zona considerada de transição entre esses dois limites.
A referência [33] recomenda o coeficiente de viscosidade cinemática da água (ν) a
uma temperatura ambiente de 20o de 1x10-6. Assim:
Re = 46051,78
De posse de todos os dados necessários, a equação (4.2) apresenta como resultado:
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
99
H = 16,66 mca
Observação: Para os três métodos utilizados para o cálculo da altura
manométrica, apenas nos de perdas distribuídas foram utilizados métodos diferenciados.
Para perda de carga localizada foi utilizado o método dos comprimentos equivalentes.
4.2.3) Curva de carga do sistema
Para o cálculo da curva de carga do sistema mostrada na figura 4.2, foi utilizada a
formulação de Darcy-Weisbach, por ser a recomendada pela ABNT - NBR 12218.
Deve-se salientar que essa curva tem influência da ação da válvula de
estrangulamento. O limite de vazão em 3 m3/h é imposto pela válvula e, portanto, mais
uma perda localizada foi somada a altura manométrica, essa carga de pressão adicional
corresponde a 4,34 mca. Assim:
H = 16,66 + 4,34 ≈ 21 mca
Figura 4.2 – Curva de carga do sistema de bombeamento do LAMOTRIZ
4.2.4) Determinação do NPSH e verificação de cavitação
Os parâmetros mencionados são calculados com base na equação (4.5).
(4.5)
0
5
10
15
20
25
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Q
H
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
100
Onde:
Ho = Pressão atmosférica local, em mca, mostrado na tabela 4.3;
h = Altura de sucção, em metros (dado da instalação);
hs = Perdas de carga no escoamento pela tubulação de sucção, em metros;
R = Perdas de carga no escoamento interno da bomba, em metros (dados do
fabricante);
Hv = Pressão de vapor do fluído escoado, em metros conforme tabela 4.4;
Tabela 4.3 - Pressão atmosférica para determinadas altitudes
Altitude em relação ao mar (m)
0 150 300 450 600 750 1000
Pressão Atmosférica (mca)
10,33 10,16 9,98 9,79 9,58 9,35 9,12
Tabela 4.4 – Pressão de vapor da água para determinadas temperaturas
Temperatura da água (ºC) 0 4 10 20 30 40 50 60 80 100
Pressão de vapor da água (mca) 0,062 0,083 0,125 0,239 0,433 0,753 1,258 2,033 4,831 10,33
Para o correto entendimento das características da instalação é usual o
desmembramento dos termos da fórmula anterior, a fim de obterem-se os dois valores
característicos (instalação e bomba) [37]. Nestas condições, tem-se que:
Ho - Hv - h - hs = NPSHd (disponível), característica da instalação hidráulica; e
R = NPSHr (requerido), característica da bomba, determinada em seu projeto de
fábrica e, fornecido pelo fabricante através das curvas características das bombas (curva de
NPSH);
a) NPSHr
Conforme mostrado na curva característica da figura 4.3 e, extrapolando os pontos
na busca da vazão de 3m3/h, encontra-se:
NPSHr = 0,8 mca
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
101
(fonte: catálogo do fabricante)
Figura 4.3 – Curva vazão x NPSH
b) NPSHd
Para o cálculo desta grandeza, deve-se lembrar que:
NPSHd = Ho - Hv – h - hs
Onde:
Ho ≈ 9,25 (Pressão atmosférica na cidade de Uberlândia a 863 metros de altitude -
tabela 4.3);
Hv = 0,433 (Pressão de vapor d’água para 300C - tabela 4.4);
h = 0,73 metros (Altura sucção);
hs = 3,04 metros (Perda calculada para o atrito na sucção).
Nestas condições, tem-se que:
NPSHd = 9,25 - 0,433 - 0,73 - 3,04 = 5,047 mca
O fabricante Schneider Motobombas, fornecedor da bomba centrífuga utilizada no
LAMOTRIZ, recomenda que NPSHd seja maior que (NPSHr + 0,6), para que seja evitado
o efeito de cavitação na bomba. Os cálculos mostram que ainda, tem uma reserva de vazão
na qual pode-se trabalhar sem que ocorra tal efeito indesejado.
4.2.5) Potência absorvida (BHP) e rendimento (η)
BHP é a potência absorvida pela bomba para o transporte de um fluído com uma
vazão desejada, a uma determinada altura e com o rendimento esperado. A obtenção da
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
102
potência motriz é necessária para se chegar ao motor de acionamento da bomba, cuja
expressão matemática é expressa por:
. . , (4.6)
Onde:
BHP = Potência motriz absorvida pela bomba, em cv;
Q = Vazão desejada, em m3 /h;
H = Altura de elevação, em mca;
0,37 = Constante para adequação das unidades;
ηb = Rendimento da bomba, esperado ou fornecido através da curva característica
em valores percentuais (%).
Ao se trabalhar com a bomba centrifuga próxima ao seu ponto de melhor
rendimento, como indicado em vermelho na figura 4.4, obtém-se um rendimento
aproximado de 60%. Esse valor pode ser conferido pela aplicação da equação 4.6,
tomando-se como base os seguintes parâmetros:
. , . ,
,
ηb = 60,43%
Ou ainda, pode-se obter o rendimento pela equação 4.7, como indicada pela
referência [27]:
. ..
(4.7)
Onde:
BHP => cv
Q => m3/s
H => m
γ => kgf/m3
Compor
aproxi
e o ren
do LA
mecân
rtamento elétrico
De posse d
ηb = 60,49
Figura
Portanto, o
imadamente
Para a con
ndimento for
ηb = 19,17
4.2.6) Os c
O gráfico m
AMOTRIZ, d
nico da bomb
o, mecânico e hid
desses valore
94%
4.4 – Curva qu
o melhor re
, 60%.
ndição de ca
ram calculad
7%
conjugados
mostrado na
discutida e a
ba centrífug
dráulico de um s
es e substitui
ue relaciona al
endimento p
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médios e o
a figura 4.5,
apresentada e
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103
indo-os na e
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beamento sob o e
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rica e vazão co
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enfoque da eficiê
), obtém-se:
om o rendiment
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atório da UF
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ência energética
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MOTRIZ é d
FU, a potênc
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esmo process
a
de,
cia
ão
do
so
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
104
de medições, também foi estimado o tempo de partida ou de aceleração (ta = 6±1 s) para o
motor da linha padrão. De posse desses valores, foi calculado o momento de inércia da
carga, a partir da equação (4.7).
2. . . (4.7)
Onde:
n = rotação em rps;
Jm = momento de inércia do motor;
Jc = momento de inércia da carga;
Cmm = Conjugado médio do motor;
Ccm = Conjugado médio da carga;
Figura 4.5 – Curva de conjugado mecânico x velocidade angular da bomba centrífuga
Tomando-se como base as equações apresentadas e discutidas no capítulo 3, pode-
se calcular os conjugados médios do motor e da bomba e consequentemente o seu
momento de inércia.
Ccm = Creg x (1/3) = 1,06 Nm
Cmm = 0,5.(Cp + Cmax) = 9,54 Nm
Jm = 0,00079 kgm2
Jc = 0,143385kgm2
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
105
4.3) A eficiência energética pela comparação entre os motores da
linha padrão e de alto-rendimento utilizando a válvula de
estrangulamento
As tabelas 4.5 e 4.6 registram os valores obtidos para grandezas elétricas no
LAMOTRIZ para os motores convencional e de alto-rendimento, respectivamente. Para
obtenção destas vazões, usou-se apenas o método de estrangulamento de válvula e
posteriormente foram coletados os valores. O objetivo foi avaliar o consumo de energia
elétrica apenas pela comparação entre o uso do motor da linha padrão e da linha alto-
rendimento.
Tabela 4.5 – Valores elétricos do motor da linha padrão
Q (m3/h) V (V) I (A) FP P (W) Q (VAr) S (VA) η
0,5 219 3 0,74 855 770 1153 0,77
1 219,2 3,2 0,76 919,43 777 1201 0,774
1,5 219,2 3,3 0,78 971,7 788 1250 0,776
2 218,9 3,4 0,79 1008,5 791 1288 0,778
2,5 218,8 3,6 0,8 1082 802 1338 0,78
3 218,9 3,8 0,82 1140 816 1417 0,782
Tabela 4.6 – Valores elétricos do motor de alto-rendimento
Q (m3/h) V (V) I (A) FP P (W) Q (VAr) S (VA) η
0,5 218,3 2,7 0,77 801 663 1038 0,803
1 218,4 2,9 0,79 859 672 1089 0,805
1,5 218,8 2,9 0,79 891 682 1129 0,806
2 217 3 0,81 922 674 1127 0,807
2,5 218,5 3,3 0,82 1031,67 705 1237 0,81
3 215,8 3,4 0,82 1033 704 1233 0,81
A comparação entre a energia elétrica consumida pelos dois motores, conforme
mostra a tabela 4.7, mostra que de fato há uma redução do consumo, no caso do
laboratório, em média 10%.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
106
Tabela 4.7 – Comparação de consumo de energia entre motores LP e AR
Q(m3/h) P(W) Dias Horas Energia Economia%
LP 1,5 971,7 30 24 699624 -9,05724
AR 1,5 891 30 24 641520
LP 2 1008,5 30 24 726120 -9,38178
AR 2 922 30 24 663840
LP 3 1140 30 24 820800 -10,35818
AR 3 1033 30 24 743760
Um outro aspecto ao qual se deve atentar quando se pretender trocar um motor
convencional por um da linha alto-rendimento, é que nestes, em geral, a velocidade é
ligeiramente superior. Tal fato pode reduzir a economia de energia elétrica prevista em
cálculos e retardar o tempo de retorno de investimento, quando se tratar de carga
centrífuga.
Para os motores do LAMOTRIZ, 3370 rpm e 3390 rpm, são as velocidades no eixo
dos motores, sendo a maior para o motor de alto-rendimento. Pelas equações de
similaridade, (2.13) a (2.16) no capítulo 2, percebem-se que todos os parâmetros variam
com a velocidade.
Assim, por exemplo, em um sistema de bombeamento, como representado na figura
4.4, teria sua condição ideal de trabalho tomando-se como base os seguintes parâmetros:
Q = 10 m3 / h
H = 24,5 mca
ηb = 60%
BHP = 1104 W
Com a variação da velocidade imposta pelo motor de alto rendimento e aplicando
as leis de afinidade, determinam-se as outras condições de operação do sistema de
bombeamento, ou seja:
Q = 10,06 m3 / h
H = 24,79 mca
BHP = 1123,77 W
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
107
Supondo-se que a pequena variação dos parâmetros não afete o funcionamento do
sistema, a potência na entrada do motor de alto rendimento é calculada conforme a
expressão a seguir:
P = 1123,77 / 0,825 = 1362,15 W
Desta maneira, encontra-se para a potência absorvida pelo motor, um valor maior
que a sua potência elétrica nominal (1338,18 W).
Portanto, há um incremento de 23,97 W, o qual é exigido pela carga mecânica.
Neste sentido, ao se proceder a comparação entre os motores de alto-rendimento e
convencional, na sua condição nominal, a redução de potência elétrica instalada é de 66,4
W. Neste contexto, o incremento de 23,97 W exigido pela carga centrífuga, quando
acionada pelo motor de alto-rendimento é representativo. Caso o sistema seja monitorado
de modo a garantir uma vazão constante, existirá ainda, uma maior atuação da válvula de
estrangulamento, o que provocará alteração na curva de carga do sistema acarretando em
maiores perdas.
4.4) Comparação da eficiência energética utilizando inversores de
freqüência
A utilização do inversor de freqüência, em cargas centrífugas, nas quais são
necessários vários valores de vazão, possibilita grande economia de energia elétrica
quando comparada com a mesma vazão obtida pelo estrangulamento de válvula. As tabelas
4.8 e 4.9 relacionam velocidade com a vazão e apontam os efeitos nos outros parâmetros
do sistema de bombeamento, para acionamento com motor de linha padrão e alto
rendimento, respectivamente.
Tabela 4.8 – Variação da velocidade em função da vazão com um motor LP
Q (m3/h) H (kgf/cm2) n (rpm) I (A) V (V) P (W) FP C (Nm)
1,5 0,45 1700,43 1,2 219,2 238 0,88 0,61
2 0,9 2193,57 1,9 218,8 409 0,88 0,97
2,5 1,3 2642,71 2,8 217,8 635 0,92 1,43
3 1,7 3135,75 4,1 218,3 1013 0,92 2,09
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
108
Tabela 4.9 – Variação da velocidade em função da vazão com um motor AR
Q (m3/h) H (kgf/cm2) n (rpm) I (A) V (V) P (W) FP C (Nm)
1,5 0,4 1693,2 1,1 218,5 209 0,87 0,56
2 0,8 2154,2 1,7 217,9 355 0,9 0,87
2,5 1,2 2590,86 2,6 217,7 570 0,9 1,34
3 1,7 3127 3,8 217,6 909,13 0,92 1,94
A comparação entre as tabelas 4.8 e 4.5 está indicada na tabela 4.10, enquanto a
comparação entre as tabelas 4.9 e 4.6 está ilustrada na tabela 4.11. Destas comparações
vêm a justificativa principal para o uso de inversor de freqüência de modo a controlar a
vazão pela variação da velocidade em detrimento do processo pelo qual se aciona válvulas
de estrangulamento com o mesmo objetivo. Quanto mais distante da condição nominal
mais se percebe a redução da potência instalada e seu conseqüente efeito sobre a energia
elétrica contabilizada na fatura da concessionária de energia elétrica.
Tabela 4.10 – Comparação de consumo entre inversor de freqüência e válvula de estrangulamento no
controle de vazão com a utilização do motor LP
Q(m3/h) p(kgf/cm2) P(W) Dias Horas Energia Economia %
Inversor 1,5 0,4 238 30 24 171360 75,5
Válvula 1,5 2,8 971,7 30 24 699624
Inversor 2 0,9 409 30 24 294480 59,4
Válvula 2 2,6 1008,5 30 24 726120
Inversor 2,5 1,3 635 30 24 457200 41,3
Válvula 2,5 2,5 1082 30 24 779040
Inversor 3 1,8 1013 30 24 729360 11,1
Válvula 3 2,1 1140 30 24 820800
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
109
Tabela 4.11 – Comparação de consumo entre inversor de freqüência e válvula de estrangulamento no
controle de vazão com a utilização do motor AR
Q(m3/h) p(kgf/cm2) P(W) Dias Horas Energia Economia%
Inversor 1,5 0,4 209 30 24 150480 78,3
Válvula 1,5 2,6 965 30 24 694800
Inversor 2 0,8 355 30 24 255600 65,9
Válvula 2 2,5 1041 30 24 749520
Inversor 2,5 1,2 570 30 24 410400 47,7
Válvula 2,5 2,3 1091 30 24 785520
Inversor 3 1,7 909,13 30 24 654573,6 23,9
Válvula 3 2,1 1195 30 24 860400
Para uma vazão de 3m3/h, valor limítrofe da estação de trabalho do LAMOTRIZ da
UFU, a economia encontrada é devida ao fato de que é necessária uma limitação de vazão
produzida pela válvula globo ali existente. Nesta condição, a economia de energia elétrica
atingiu 23,9%, quando o motor utilizado foi o de alto-rendimento, enquanto que para a
mesma vazão a economia foi 11,1% quando a operação foi realizada com o motor
convencional. Uma análise para outras vazões é quantificada facilmente comparando-se as
tabelas 4.10 e 4.11.
Graficamente, a figura 4.6 demonstra os efeitos causados pelo inversor de
freqüência e pela válvula globo de contorno, responsável pelo controle de vazão por
estrangulamento. As curvas representativas de variação de velocidade são denominadas na
figura 4.6, relacionada ao motor convencional, como 60 Hz, 45Hz e 30 Hz, os efeitos do
método de estrangulamento de válvula, representado pelas curvas do sistema, onde a curva
em azul representa a condição nominal da bancada, enquanto as outras curvas do sistema
indicadas com os sub-índices 2 e 3 apontam vazões de 2,5 e 2 m3/h na curva de bomba
para 60 Hz.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
110
Figura 4.6 – Efeitos causados pela variação de velocidade e pelo estrangulamento
de válvula para um sistema acionado pelo motor LP
A figura 4.7 é similar à figura 4.6, porém, nesta o sistema é acionado por um motor
de alto-rendimento. O estudo aqui demonstrado apresenta as curvas para 60 Hz e 38 Hz, no
inversor de freqüência, portanto para velocidades de 3390 rpm e 2150 rpm
respectivamente.
Figura 4.7 – Efeitos causados pela variação de velocidade e pelo estrangulamento
de válvula para um sistema acionado pelo motor AR
Fica evidente, nas curvas encontradas via medições em laboratório, o efeito sobre o
consumo de energia elétrica no sistema de bombeamento da estação de trabalho. Um
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3Q (m3/h)
H (m
ca)
60Hz 45Hz30Hz Curva do sistemaCurva do sistema 2 Curva do sistema 3
05
10
15202530
3540
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Q (m 3/h)
H (m
ca)
60Hz 38 Hzcurva do sistema curva do sistema 2
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
111
estudo dos gráficos apresentados indica o melhor método a ser utilizado no controle de
vazão.
Nas figuras 4.8 e 4.9, observa-se as comparações entre os dois métodos de controle
por meio de gráficos de potência elétrica de entrada em função da vazão. Aqui também,
está contemplado o acionamento por ambos os motores. Pela análise destas figuras, nota-se
a grande diferença na potência exigida para valores menores que a vazão nominal, quando
observados os dois métodos de controle e a tendência a se igualarem em condições
próximas às nominais.
Figura 4.8 – Potência versus vazão utilizando motor LP
Figura 4.9 – Potência versus vazão utilizando motor AR
Deve-se aclarar aqui que a potência referente à alimentação do inversor de
freqüência esta contabilizada, ainda assim, para a condição mais distante do regime de
trabalho, ou seja, vazão de 1,5 m3/h encontrou-se, em média, 77% de economia de energia
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
112
elétrica quando comparado com a metodologia utilizando válvulas de estrangulamento.
Assim, demonstra-se que o efeito da variação de velocidade é consistente para cargas
centrífugas e neste caso deve ser utilizada sempre que possível.
4.5) Estudo das leis de afinidade para cargas centrífugas
4.5.1) As leis de afinidade aplicadas ao sistema de bombeamento do
LAMOTRIZ
Freqüentemente é necessário estimar as condições de trabalho de um sistema
centrífugo sem que se possam realizar medições diretas, como é o caso das maiorias das
aplicações industriais. Neste sentido, para estas estimativas recorre-se as chamadas leis de
afinidade ou de similaridade, já detalhadas no capitulo 2 (equações 2.13 a 2.16).
Nas tabelas 4.12 e 4.13, os valores relacionados na coluna medido (1) e medido (2),
foram retirados das tabelas 4.8 e 4.9. A coluna calculado foi preenchida pela aplicação das
leis de afinidade sobre a coluna medido (1), ou seja, usou a velocidade nominal como
referência. Na última coluna está anotado o erro percentual obtido na comparação entre o
valor medido (2) e o valor calculado. No cálculo da potência, onde existe a influência do
consumo na alimentação do inversor de freqüência. Um maior erro ficou evidente. Para
amenizar esse efeito, na linha Pij SIF, onde SIF significa Sem Inversor de Freqüência,
foram abatidos 70 W referentes à alimentação deste equipamento. O erro para a potência
diminuiu, nas duas tabelas, para valores aceitáveis.
Outros efeitos que contribuíram para o maior erro na potência são: a variação do
rendimento para sistemas funcionando em velocidades diferentes daquela para o qual foi
projetado e o constante desequilíbrio nas tensões durante as medições. A relação entre
rendimentos é apontada na equação 2.18 e reescrita a seguir. Com o motor convencional
trabalhando em condições de carga nominal, seu rendimento é de 78,6%, porém quando se
procede a estimativa através da equação para uma rotação de 1700 rpm, a eficiência cai
para 76,6%. Para uma mesma condição, o motor de alto rendimento, que tem sua
eficiência em 82,5%, reduz o rendimento para 80,74% na mesma velocidade mencionada.
1 1,
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
113
Tabela 4.12 – Relações das leis de afinidade em um motor convencional
Calculado medido(1) medido(2) erro %
Q21 = 1,62672088 3 1,5 -8,44806
H21 = 0,499841711 1,7 0,45 -11,0759
P21 = 161,5045659 1013 238 32,14094
P21 SIF 150,3443294 943 168 10,50933
Q22 = 2,098607989 3 2 -4,9304
H22 = 0,831896037 1,7 0,9 7,567107
P22 = 346,7685052 1013 409 15,21552
P22 SIF 322,8062195 943 339 4,776926
Q23 = 2,528304233 3 2,5 -1,13217
H23 = 1,207438656 1,7 1,3 7,120103
P23 = 606,3643736 1013 635 4,509547
P23 SIF 564,4635778 943 565 0,094942
Tabela 4.13 – Relações das leis de afinidade em um motor de alto-rendimento
Calculado medido(1) medido(2) erro %
Q21 = 1,62443236 3 1,5 -8,29549
H21 = 0,49843632 1,7 0,45 -10,7636
P21 = 144,333494 909,13 209 30,94091
P21SIF 133,220293 839,13 139 4,158063
Q22 = 2,06670931 3 2 -3,33547
H22 = 0,80679872 1,7 0,8 -0,84984
P22 = 297,235317 909,13 355 16,27174
P22SIF 274,349182 839,13 285 3,737129
Q23 = 2,05946011 3 2,5 17,6216
H23 = 1,1670274 1,7 1,2 2,747717
P23 = 517,099578 909,13 570 9,280776
P22SIF 477,284623 839,13 500 4,543075
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
114
Outros efeitos que contribuíram para o maior erro na potência são: a variação do
rendimento para sistemas funcionando em velocidades diferentes daquela para o qual foi
projetado e o constante desequilíbrio nas tensões durante as medições. A relação entre
rendimentos é apontada na equação 2.18 e reescrita a seguir. Com o motor convencional
trabalhando em condições de carga nominal, seu rendimento é de 78,6%, porém quando se
procede a estimativa através da equação para uma rotação de 1700 rpm, a eficiência cai
para 76,6%. Para uma mesma condição, o motor de alto rendimento, que tem sua
eficiência em 82,5%, reduz o rendimento para 80,74% na mesma velocidade mencionada.
1 1,
4.5.2) Obtenção das curvas características para diversas velocidades a partir
da curva para uma rotação conhecida
A figura 4.10 relaciona a curva característica da vazão em função da pressão,
enquanto que a figura 4.11 ilustra o gráfico da potência elétrica em função da vazão do
sistema. Deve-se salientar que estas curvas características são obtidas tanto
experimentalmente quanto analiticamente, neste caso, através da aplicação das leis de
afinidade. O levantamento das curvas para 30 Hz e 45 Hz foram obtidos a partir da curva
em 60Hz, normalmente fornecida pelo fabricante da bomba. O trabalho foi executado com
o sistema acionado pelo motor de linha padrão. A proximidade entre as curvas mostra que
o método é mais eficiente para valores não muito distantes da condição de velocidade
nominal. A curva para 45 Hz se mostra com melhor qualidade, enquanto a de 30 Hz já
demonstra um distanciamento maior entre as curvas medida e calculada.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
115
Figura 4.10 - Relação vazão versus carga de pressão
Figura 4.11 – Relação potência elétrica em função da vazão
Deve-se salientar que, o método de cálculo utilizado e suas considerações teóricas
estão devidamente aclarados no item 2.7.2, no capítulo 2. Por este motivo não foram
reescritas as equações nem elucidadas as teorias que envolvem este assunto.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
116
4.6) Considerações finais
No capítulo presente foram analisadas e apresentadas as variações nos parâmetros
elétricos, mecânicos e hidráulicos do sistema de bombeamento do LAMOTRIZ, quando o
controle de vazão é realizado pela válvula de estrangulamento ou quando se utilizou
inversores de freqüência. Nestas condições, pode-se constatar que:
Para a utilização do estrangulamento de válvula, encontrou-se uma economia de
energia de 10% quando da substituição do motor convencional pelo de alto-
rendimento;
Na utilização do controle de vazão pelo inversor de freqüência, a economia de
energia elétrica, para uma vazão de 1,5 m3/h foi de 78% quando o motor utilizado
foi o de alto-rendimento;
Na utilização do controle de vazão pelo inversor de freqüência, a economia de
energia elétrica, para uma vazão de 1,5 m3/h foi de 75% quando o motor utilizado
foi o convencional;
Na utilização do controle de vazão pelo inversor de freqüência, em todos os
casos estudados, a economia de energia elétrica foi acentuadamente reduzida, tanto
para o motor convencional, quanto o de alto-rendimento;
Os estudos mostraram que, com a utilização dos conversores de freqüência, a
economia de energia elétrica é mais acentuada à medida que a vazão do sistema se
distancia de seu valor nominal;
Os estudos mostraram que a lei de afinidade pode ser utilizada na obtenção das
curvas características para outras velocidades, a partir da curva original;
Identificou-se uma possibilidade de estimar o momento de inércia das cargas
mecânicas em plantas industriais em funcionamento.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
117
Capítulo 5
Simulação Computacional do Sistema de Bombeamento
(LAMOTRIZ) na Plataforma ATP
5.1) Introdução
Modelar e simular sistemas físicos são técnicas utilizadas pelas engenharias em
diversas situações. O domínio dessas técnicas permite o maior entendimento das
características de funcionamento de um sistema a baixo custo ao permitir a representação
de um fenômeno real, para análise e estudos. A simulação também permite comparar e
identificar, entre as soluções, as mais adequadas a serem aplicadas quando necessárias.
Normalmente, na engenhara elétrica toda simulação computacional é baseada em
duas técnicas, quais sejam: técnica no domínio da freqüência e no domínio do tempo. O
estudo no domínio da freqüência, baseado no princípio da superposição dos efeitos, é
principalmente utilizado para as análises em regime permanente. Em relação a técnica que
estuda o domínio do tempo é útil quando se deseja estudar os regimes transitórios. Dentre
as principais plataformas convencionais no domínio do tempo, destacam-se: ATP, SABER,
MATLAB, PSPICE, EWB, etc. Neste trabalho a escolha recaiu sobre o programa EMTP
(ATPDraw).
O desenvolvimento do programa EMTP (Eletromagnetic Transient Program)
iniciou-se a partir da década de 60, com o passar dos anos, o programa foi sofrendo
alterações de diversos colaboradores do mundo todo, tornando-se uma ferramenta poderosa
em estudos de transitórios em sistemas elétricos. Em 1984 foi criada uma nova versão do
EMTP, denominada ATP - Alternative Transient Program, que constitui a continuação das
versões anteriores do programa [50].
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
118
O ATP, sempre se mostrou um programa de difícil manejo, entretanto, durante os
últimos anos foram desenvolvidos vários programas de apoio que têm facilitado a sua
utilização para qualquer tipo de usuário. Entre as facilidades mais recentes podem ser
citadas as novas versões do pré-processador gráfico ATPDraw, o programa de suporte
LCC e o programa gráfico PLOTXY, além das diferentes opções de versões para o próprio
ATP [51].
O capítulo atual tem por objetivo apresentar a simulação computacional, na
interface ATPDraw, de um sistema de bombeamento, acionado por motor de indução
trifásico de 1,5 cv- 2 polos. Os resultados oriundos de medições também serão mostrados e
analisados de modo a buscar a comparação com valores teóricos buscando a validação do
modelo computacional proposto e justificar o seu uso no estudo do sistema de
bombeamento contido no Laboratório de Sistemas Motrizes – LAMOTRIZ da
Universidade Federal de Uberlândia.
5.2) O sistema de bombeamento
5.2.1) A representação do motor de indução trifásico - MIT
O motor proposto para a simulação é um motor WEG de linha padrão, cujos dados
de placa estão descritos na Tabela 5.1. A metodologia utilizada nos cálculos dos
parâmetros do circuito equivalente não será abordada neste trabalho, uma vez que é de
amplo conhecimento e pode ser encontrada, por exemplo, na referência [13]. Deve-se
destacar apenas que a determinação dos parâmetros foi obtida a partir de ensaios a vazio e
com o rotor bloqueado, os quais estão indicados nas tabelas 5.2, 5.3 e 5.4 [13].
Tabela 5.1: Dados de placa do MIT
P(cv) n(rpm) V(V) In(A) Ip/In Cn(Nm) Cp/Cn Η Fp
1,5 3370 220 4,27 7,5 3 3 78,6 0,86
Tabela 5.2: Ensaio a vazio
V(V) f(Hz) I(A) P(W)
220 60 1,576 105,7
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
119
Tabela 5.3: Ensaio de rotor bloqueado
V(V) f(Hz) I(A) P(W)
220 60 29,6 8500
Tabela 5.4: Parâmetros para o circuito equivalente
Rs(Ω) Ls(mH) Rr(Ω) Lr(mH) Lm(mH)
5,6 14,063 4,26 11,324 620
O circuito equivalente usado como base para a simulação está representado pela
Figura 5.1. Onde os índices r, s e m significam, respectivamente, rotor, estator e
magnetização.
Figura 5.1 – Circuito elétrico equivalente para motor
5.2.2) A representação do sistema de bombeamento
A carga que representa o sistema de bombeamento é acionada por uma bomba
centrífuga. Uma das formas eficientes de se identificar esse tipo de carga é através de
curvas em função da velocidade. A figura 5.2 mostra o gráfico do torque mecânico em
função da velocidade do sistema de bombeamento do LAMOTRIZ. A característica da
bomba foi construída através de valores obtidos em laboratório, conforme já explanado nos
capítulos anteriores, e foi utilizada para as modelagens na plataforma ATP Draw.
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
120
Figura 5.2 – Curva do Sistema de Bombeamento
5.3) A modelagem do sistema
5.3.1) Representação do sistema no ATPDraw
A modelagem do sistema de bombeamento utilizada no software para representar a
estação de trabalho do LAMOTRIZ pode ser visualizada na figura 5.3.
Figura 5.3 – O sistema de bombeamento representado no ATP
Onde:
(1) é uma fonte trifásica sources- Ac3ph, Type 14;
(2) é uma chave trifásica Switch time 3-ph (SWIT_3XT);
(3) é um componente Branch Linear - RLC3-ph;
(4) é um motor trifásico Machines - UM3-Indution;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
121
(5) é um componente Branch linear – resistor de 1x10-6 ohm;
(6) é um componente Branch linear – capacitor de 144175 uF, representando a
inércia do sistema;
(7) é um componente NLINRES - nonlinear current-dependent resistor, TYPE 99,
representando a carga mecânica;
(8) é um componente Branch linear – resistor de 1 k ohm, utilizado para evitar
flutuações;
(9) é uma fonte monofásica sources- Ac1ph, Type 14 utilizada como fonte de
corrente com um pequeno valor (-1x10-5 A), apenas para indicar uma magnetização prévia
e uma freqüência próxima à zero (0.001 Hz).
5.3.2) Representação do motor no ATP Draw
A figura 5.4 é a representação de um motor trifásico de indução, identificado no
ATPDraw como Machines - UM3-Indution.
Figura 5.4 – O motor representado no ATP
Onde os nós:
Estator: Nó de conexão do motor à rede;
Neutro: Para motores ligados em estrela, esse ponto deve ser aterrado através de
uma resistência alta de modo a evitar oscilações numéricas;
Inicialização: Por este nó é possível indicar condições iniciais do motor, como por
exemplo, magnetização remanescente;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
122
Carga: Por este nó é feito o acoplamento da carga.
5.3.3) Entrada de dados do motor de indução trifásico
A janela de atributos do motor, indicada na figura 5.5, é disponibilizada a partir de
dois cliques no ícone identificado na figura 5.4. Por essa janela tem-se acesso aos pontos
de entrada de dados do motor no software.
Figura 5.5 - Janela de atributos do motor
Onde, nas abas:
General - foi indicada a ligação delta, existente nos motores do LAMOTRIZ, o
número de bobinas nos eixos d e q, (1) apenas indicando o mesmo número de
bobinas nos dois eixos;
Magnet - foi introduzido o valor da indutância de magnetização (620 mH), mesmos
valores para os eixos d e q;
Stator – foram introduzidos os valores de resistência (5,6 Ω) e indutância (14,063
mH) de estator, iguais nos eixos d e q. Para a seqüência zero, no ATP draw, o valor
é indiferente, uma vez que o motor não tem suas bobinas aterradas;
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
123
Rotor – foram introduzidos os valores de resistência (4,26 Ω) e indutância (11,324
mH) de rotor, para d e q;
Init – no campo split [%] indica o escorregamento inicial, aqui utilizado o valor
100% representando o motor totalmente inerte antes de sua partida.
5.3.4) Entrada de dados da carga
No ATPDraw, a velocidade é representada em forma de tensão (1V = 1rad/seg),
enquanto o torque é representado em forma de corrente (1 A = 1Nm), propiciando que a
relação torque versus velocidade possa ser obtida na forma de resistência. Assim, a
modelagem da carga, foi feita pelo uso de um resistor não-linear, que tem sua resistência
dependente da corrente. Esse resistor permite entrar diretamente com os valores de torque e
velocidade obtidos empiricamente no laboratório. Outra maneira pela qual se pode
representar este tipo de carga pode ser verificada na referencia [49].
Na figura 5.6, pode-se visualizar a janela de atributos do resistor não-linear que foi
utilizado na modelagem da carga mecânica.
Figura 5.6 – Janela de atributos do resistor não-linear NLINRES
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
124
O gráfico plotado na Figura 5.7 indica a resistência de carga inserida no ATP, como
representativo do sistema de bombeamento.
Figura 5.7 – Curva da resistência representativa da carga mecânica
Outro item que deve ser contemplado é o momento de inércia da carga, que no
ATP, deve vir somado ao momento do eixo do motor. Para o programa, 1kgm2
corresponde a 1 Farad. Assim, do capítulo 4, tem-se que:
Jm = 0,00079 kgm2
Jc = 0,143385 kgm2
Contabilizando um momento de inércia total de 0,144175 kgm2
Lembrando, que os dados inerciais, convertidos em capacitância, devem ser
indicados em μF, o capacitor indicado por (6), na figura 5.3 deve ter o valor de 144175 μF.
5.4) Simulações
5.4.1) Ensaio a vazio
Este item tem por objetivo realizar uma comparação entre os valores encontrados
nas simulações computacionais e aqueles obtidos experimentalmente no ensaio em vazio.
0.4 1.0 1.7 2.3 3.0
I [A]104.3
168.5
232.7
296.9
361.1 U [V]
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
125
A figura 5.8 apresenta as formas de onda das correntes absorvidas pelo motor em
função do tempo de simulação, enquanto que a tabela 5.5 indica os valores numéricos
encontrados, onde se observa a coerência com os resultados experimentais, indicado na
tabela 5.2.
Figuras 5.8 – Correntes a vazio
Tabela 5.5 – Valores de corrente encontrados via simulação
Ip(pico) Ip(rms) Ireg(pico) Ireg(rms)
39,36 28,48 2,254 1,594
Onde:
Ip = corrente de partida;
Ireg = corrente de regime permanente.
A figura 5.9 oferece o torque mecânico em função do tempo, durante a operação a
vazio. Como esperado os torques de partida e máximo não se alteram, o torque de regime
(Creg) e o tempo de partida é que devem ser pequenos, pois o acionamento tem apenas o
próprio eixo do motor como carga. Numericamente, a tabela 5.6 indica os valores
encontrados, onde se observa a coerência com os resultados de placa, indicado na tabela
5.1.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5[s]-50,0
-37,5
-25,0
-12,5
0,0
12,5
25,0
37,5
50,0[A]
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
126
Figura 5.9 - Torque mecânico durante a operação do motor com o rotor livre
Tabela 5.6 – Valores de torque encontrados via simulação
Cp Cm Creg
9,58 11,96 0,21
A curva apontada na figura 5.10 traz o valor simulado para a velocidade com o
motor a vazio, 376 Rad/seg, ou seja, 3590 rpm. É coerente, pois o valor próximo ao da
velocidade síncrona é o esperado, uma vez que é a própria carga mecânica, a responsável
pelo escorregamento.
Figura 5.10 – Velocidade do motor com o rotor livre
Comportamento elétrico, mecânico e hidráulico de um sistema de bombeamento sob o enfoque da eficiência energética
127
5.4.2) Ensaio de rotor travado
O ensaio de rotor travado foi executado, mantendo-se por curto espaço de tempo, a
tensão nominal e, nestas condições, obteve-se a corrente de partida. A Figura 5.11
apresenta a forma de onda da corrente de rotor travado em função do tempo. O valor eficaz
encontrado para esta grandeza é de 28,48 A, enquanto o de pico é 39,36 A.
Experimentalmente, o valor encontrado foi de 29,5 A de corrente eficaz na partida.
Figura 5.11 – Correntes do motor com o rotor travado
A figura 5.12 oferece o torque mecânico em função do tempo, durante a operação
com rotor bloqueado. Como esperado o torque se estabilizou em 9,58 Nm, este é o mesmo
encontrado na partida do motor.
Figura 5.12 – Torque de rotor bloqueado
A figura 5.13 apresenta a velocidade em função do tempo, durante a operação com
rotor bloqueado. A velocidade como esperado é zero.
Keywords: Specification, Laboratory, Industrial Efficiency, Motor Systems, Tree-phase Induction Motors. Resumo: Este artigo tem por objetivo a especificação de um laboratório de eficiência industrial . Esta especificação detalha os componentes envolvendo quatro bancadas, quais sejam: bombas centrífugas, compressores, ventiladores e correias transportadoras. Cada uma das cargas foi especificada em bancada independente, contendo um sistema de acionamento composto por sistemas de automação, controle e medições integrados. Um acionamento composto por dois motores (standard ou alto-rendimento) e três modos de partida (direta, inversor de frequencia e soft start) que acoplados à carga, permitem a visualização das formas de controle e operação de equipamentos, sobre o enfoque da eficiencia industrial. Palavras Chaves: Especificação, Laboratório, Eficiência Industrial, Sistemas Motrizes, Motores de Indução Trifásico.
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1 INTRODUÇÃO
Os problemas ocorridos nos anos 90, no setor elétrico brasileiro, demonstraram que a energia elétrica é um insumo valioso e, como tal, deve ser usado de maneira racional. A necessidade de metodologias e estudos que visem à eficiência energética foi demonstrada de forma cabal pela crise de abastecimento que assolou o país no ano de 2001.
O uso eficiente de energia, que pode ser entendida como a utilização da menor quantidade possível de energia para realizar um trabalho sem que se perca qualidade e segurança na realização, tem como campo de atuação os mais diversos ramos de atividade da sociedade. Utilizar a energia com responsabilidade, sem desperdício, constitui um novo parâmetro a ser considerado no exercício da cidadania. (ELETROBRÁS/PROCEL/EFEI, 2001).
Segundo o Gerente de Utilização de Energia da Companhia Energética de Minas Gerais - CEMIG ações que objetivem o uso racional e eficiente de energia correspondem a construção de uma usina virtual de energia (Máxima Eficiência, 2005). Embasando tal opinião, Howard Steven Geller relata: a economia de energia elétrica, em 1998, permitiu que as concessionárias brasileiras evitassem implementar aproximadamente 1560 MW de nova capacidade geradora, o que significou cerca de 3,1 bilhões de investimentos evitados. (Geller 2003). Ainda segundo o mesmo autor, ao se comparar os custos com a energia economizada e os custos para a geração da mesma quantidade houve um coeficiente de custo - beneficio global de aproximadamente 12:1 (Geller 1998).
O setor industrial, segundo o Balanço Energético Nacional – BEN de 2005, consumiu 203,48 TWh o correspondente a 47,9% de toda a eletricidade consumida no país. No que se refere ao cenário industrial, a CEMIG nos informa, em seu site que: no Brasil, os Motores elétricos de indução são responsáveis por cerca de 50% das cargas elétricas industriais, chegando a 70% em determinadas regiões.
Dentro deste contexto, a Universidade Federal de Uberlândia – UFU, Minas Gerais, em parceria com ELETROBRÁS/PROCEL, idealizou um laboratório que, de forma prática e inteligente, permite o estudo das principais cargas motrizes utilizadas no setor industrial. Com vasta e reconhecida atuação nos campos qualidade da energia elétrica e máquinas elétricas, essa universidade reconheceu a necessidade de, também, se avançar no campo da utilização da energia elétrica de forma racional. Os detalhes desse laboratório são apresentados na sequencia deste trabalho.
2 DESCRIÇÃO GERAL DAS BANCADAS
O Laboratório de Sistemas Motrizes é composto por quatro bancadas, sendo que cada uma corresponde a um diferente tipo de carga comumente utilizado em processos industriais. Assim procedendo, as cargas correspondentes à bombas centrífugas, compressores, ventiladores e correias transportadoras, formam as bancadas mencionadas.
Cada uma das cargas foi instalada em bancada de ensaios independente das demais, formando um sistema de acionamento completo, composto por proteção e medição; sistemas de automação e medição integrados, capazes de controlar automaticamente a execução, a coleta de dados e emissão de relatórios. O acionamento é composto por dois motores e três modos de partida distintos, permitindo a visualização de diversas formas de controle e operação de equipamentos industriais similares e de maior porte.
Cada bancada é composta por duas mesas e um painel, sendo que a primeira mesa contém o micro-computador, a segunda os motores e o módulo de carga e o painel acondiciona os sistemas de comando, medição e acionamento. Na sequência são apresentadas as características/ funcionalidades mínimas para estas bancadas:
• A primeira bancada possui dimensões apropriadas para a instalação de um micro-computador (CPU, monitor, teclado, no-break e mouse) e um multifuncional.
• Na segunda bancada foram instalados os motores (de alto rendimento e convencional), e o módulo de carga. Vale ressaltar, que o módulo de carga permiti uma variação controlada via sistema supervisório, entre 0 e 120% da carga nominal do motor elétrico.
• No painel de acionamento e comando estão instalados o inversor de frequência, o soft-start, o controlador lógico programável (CLP) e os elementos de acionamento e proteçâo como contatores e disjuntores. Adicionalmente, esta bancada também é responsável pela medição dos parâmetros elétricos de entrada dos motores.
• A fixação dos motores na mesa possibilita que os mesmos sejam trocados de posição, ou seja, a carga poderá ser acoplada tanto ao motor de alto rendimento quanto ao convencional.
• O sistema de medição dos parâmetros elétricos, de entrada dos motores, é constituído por um multimedidor de grandezas elétricas, contemplando
3
valores de tensão fase-fase e fase-neutro; corrente; potências ativa, reativa, aparente e fator de potência trifásicas e monofásicas; frequência e energia ativa e reativa. A comunicação deste instrumento com o elemento de controle (CLP) é realizada via ModBus, sendo que todos os parâmetros mencionados são mostrados e monitorados (histórico, curva no tempo, etc.) no supervisório em tela própria. O multimedidor possui, ainda, funções de oscilografia e medição de harmônicos até a 50a ordem de tensão e corrente, sendo que todos estes valores podem ser visualisados em tempo real ou armazenados.
• O tipo de acionamento dos motores (alto rendimento ou convencional) é executado através do supervisório. Assim sendo, o usuário ao escolher o acionamento desejável (partida direta, partida suave ou inversor), o controlador programável aciona os respectivos contatores, sendo que os demais sistemas ficam desconectados.
• Os transmissores de torque e rotação foram instalados de forma a evitar a locomoção dos mesmos quando da troca dos motores.
• Cada motor (convencional e de alto rendimento) possui sensores de temperatura do tipo PT100, instalados na carcaça e em cada enrolamento do estator, permitindo a monitoração deste parâmetro via supervisório.
• Sinais de tensão e corrente (valor de tensão correspondente) estão disponíveis tanto na entrada quando na saída dos acionamentos, permitindo sua verificação em osciloscópios.
2.1 Descrição Geral do Sistema de
Controle e Acionamento
A figura 1 representa o esquema unifilar simplificado de comando considerando partida direta, soft-starter e inversor de freqüência. Contempla também as comunicações em rede via Ethernet (entre PC e o CLP) e Modbus (entre CLP e os dispositivos de partida e medição), juntamente com as entradas analógicas e digitais.
Figura 1 – Esquema unifilar do sistema de comando
• O acionamento via inversor de frequência e partida suave utiliza dois contatores cada (jusante e montante), inter-travados, sendo acionados pelo controlador pro-gramável de acordo com a escolha do tipo de aci-onamento na tela do supervisório.
• Os controladores programáveis são conectados a um switch configurando uma rede de comunicação em padrão Ethernet.
A seguir estão especificados os elementos (equi-pamentos e serviços) mínimos constituintes para todas as bancadas do Laboratório de Sistemas Motrizes
Medidor de energia multifunção: trifásico; tensão (fase-fase ou fase-neutro); corrente; frequência; potência ativa, reativa e aparente (por fase e total); fator de potência (por fase e total ); THD% de tensão e corrente; demanda; energia ativa; energia reativa indutiva e capacitiva; medição True RMS; exatidão básica 0,5 %; comunicação RS-485 e RS232; protocolo modbus RTU; oscilografia, harmônicos até a 50a ordem.
Inversor de Frequência: trifásico; para motor de 1,5 cv; 220 V; 60 Hz; controle escalar e vetorial; comunicação via rede Modbus, cabos de comunicação, entrada para encoder; controle PID;
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entrada 0-10 V analógica para controle de velocidade.
Dispositivo de partida suave (Soft Start): trifásico; 220 V; para motor de 1,5 cv; comunicação via rede Modbus; cabos de comunicação; entradas e saídas digitais; módulo de economia de energia.
Transmissor de Velocidade: medição de velocidade e ângulo de rotação (360 pulsos por giro) pulso compatível com o controlador programável utilizado. Também pode ser utilizado transmissor analógico com saída 0-10 VDC ou 4 a 20 mA.
Controlador Programável: 16 entradas digitais + 16 saídas digitais + 8 entradas analógicas + 8 saídas analógicas; Placa Ethernet; Placa Modbus; fonte de alimentação; cabos de conexão e programação; software de programação e comunicação (programação em até 3 diferentes linguagens, sendo obrigatório a presença do Ladder). Placa contendo entrada para 4 sensores de temperatura do tipo PT 100. Entrada de pulsos para o sinal de rotação e ângulo. Licença do software de configuração e comunicação. Para a bancada da bomba centrífuga, o CP deverá possuir entradas compatíveis com os sinais disponibilizados pelo transdutor de torque.
Motor elétrico: 1,5 cv; indução, trifásico; 220/380 V; 2 pólos; 60 Hz; IP 21; convencional (standard), com sensores do tipo PT 100 instalados nas bobinas do estator e na carcaça.
Motor elétrico: 1,5 cv; indução, trifásico. 220/380 V; 2 pólos; 60 Hz; IP 21; alto rendimento, com sensores do tipo PT 100 instalados nas bobinas do estator e na carcaça.
2.2 Descrição Geral do Sistema
Supervisório
O sistema supervisório do laboratório é utilizado comercialmente pelos sistemas industriais. Ele foi configurado para realizar o controle de todo o processo apresentando uma capacidade de monitoramento em tempo real através da rede de dados Modbus Ethernet.
Ao acessar o sistema, será apresentada a tela indicada pela figura 2, na qual o operador define qual o tipo de bancada a ser acionada. Deve-se salientar que, cada bancada é acionada individualmente, no entanto o sistema supervisório permite um acompanhamento da operação das demais estações de trabalho.
Figura 2 – Tela inicial do sistema supervisório
O supervisório contém uma tela principal para cada bancada, conforme o desenho esquemático representado pela Figura 3. Desta forma, cada elemento constituinte da bancada (multimedidor, acionamento, carga, etc) contém um atalho para abertura das telas de monitoração, ou seja: comando, temperatura, gráficos, medições e banco de dados. Adicionalmente a Figura 3 também fornece informações específicas de cada bancada como, por exemplo, torque, velocidade, pressão, vazão, etc.
Figura 3 – Bancada da Bomba Centrífuga
Na figura 4 está representada a tela de comandos, nela tem-se acesso aos sistemas de partida direta, suave e por inversor de frequência. Esta têm seus parâmetros determinados pelo supervisório, desta forma, o tempo de rampa de subida e descida, a velocidade e demais parâmetros referentes às características operacionais das máquinas deverão ser configurados através de tela específica no supervisório de cada bancada.
5
Figura 4 – Tela de Comando
Além das informações apresentadas diretamente na tela (medições), o sistema também oferece dados numéricos via banco de dados. Complementando ainda, é possível a construção de gráficos de parâmetros do sistema em função do tempo.
Licença de Supervisório: para controle de todo o processo, com capacidade de monitoramento em tempo real; através de rede de dados Modbus Ethernet; interface gráfica em tempo real; publicação em tempo real de telas gráficas dinâmicas; publicação em Internet; ambiente orientado a objeto; ferramenta de elaboração de relatórios; suporte a OPC; armazenamento de dados para histórico; editor de telas; 100 pontos
2.3 Especificação das Bancadas Adicionalmente ao detalhamento presente no tópico anterior, cada bancada possui diferentes cargas, com sensoriamento e peculiaridades distintas. Assim sendo, faz-se necessário uma complementaçâo tanto ao nível de equipamentos/ instrumentos quanto às funcionalidades inerentes a cada processo analisado. Desta forma, na sequência são apresentadas estas características típicas de cada bancada.
2.3.1 Bomba Centrífuga
Conforme mencionado, o presente item retrata as características/funcionalidades mínimas específicas pa-ra esta bancada:
• Além da bomba centrífuga, esta bancada é composta por um dinamômetro e este foi instalado no eixo do motor convencional.
• O acoplamento entre o motor de alto rendimento e a bomba é direto, assim como o acoplamento entre o motor convencional e o dinamômetro.
• O dinamômetro também é controlado pelo super-visório. Desta forma, novamente em tela própria, o usuário pode determinar a carga desejável em valores percentuais da potência nominal do motor (1,5 cv), sendo que esta variação deve ser de O a 120%.
• O módulo de carga é composto de dois reservatórios com capacidade de 100 litros cada, de
material transparente, sendo que o primeiro foi instado na parte inferior da bancada e o segundo a uma altura de 2 metros. Entre os reservatórios foi instalado um duto de escoamento com uma válvula elétrica de retenção. Na saída da bomba centrífuga estão presentes uma válvula de retenção, uma válvula elétrica proporcional de estrangulamento e os transmissores analógicos de pressão e vazão. No reservatório superior instalou-se um transmissor de nível. Todos os sensores mencionados têm seus indicativos monitorados (histórico, curvas e valores instantâneos) e mostrados no super-visório da bancada.
O diagrama orientativo mostrado pela Figura 5 permite uma melhor visualização das características desejadas. Vale ressaltar que o diagrama abaixo não apresenta todos os instrumentos utilizados.
Figura 5 – Diagrama orientativo da bancada da bomba centrífuga
A lista a seguir apresenta os elementos adicionais presentes na bancada da bomba centrífuga.
Dinamômetro: CA 2 cv, 220 V, acionado por inversor regenerativo, com controle da carga via supervisório através de sinais de 0-10 V ou 4-20 mA.
Bomba centrífuga: compatível com motor de 1,5 cv, vazão mínima de 1 m3/h.
Transmissor de torque: 0-10 N.m: saída -10 a 10 V; classe de precisão 0.2; transmissão do sinal sem
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contato; para medição de torque em máquinas rotativas; medição de velocidade e ângulo de rotação incorporado (360 pulsos por giro) pulso compatível com o contro-lador programável utilizado; sobrecarga 200%; torque de quebra 280%. 2.3.2 Ventilador Da mesma forma que para a bomba centrífuga, o presente item retrata a característica/ funcionalidade mínima para a bancada do ventilador:
• O módulo de carga é composto por um damper elétrico, permitindo o controle da vazão de ar via supervisório. Um transmissor de vazão de ar instalado no ventilador permite a verificação deste parâmetro e a atuação do damper visando diminuir, aumentar ou mesmo bloquear este fluxo, sendo todas estas ações visualizadas e acionadas via supervisório.
O diagrama orientativo, figura 6, permite uma melhor visualização das características desejadas.
Figura 6 – Diagrama orientativo da bancada do ventilador
A seguir, são apresentados os elementos adicionais presentes na bancada do ventilador:
Ventilador: centrífugo; compatível com motor de 1,5 cv.
Damper elétrico: compatível com o ventilador, variação de O a 100%, com indicação da posição atual na tela do supervisório.
Transmissor de Vazão e Velocidade do ar: saída 4 a 20 mA ou O a 10 VDC; linear; precisão < 0,5%; 24 V DC; compatível com o ventilador. 2.2.3 Compressor de ar Da mesma forma, o presente item retrata as carac-terísticas/funcionalidades mínimas específicas para o compressor de ar:
• O módulo de carga é composto por um compressor com um reservatório de ar comprimido, regulado por uma válvula elétrica de saída de ar (alívio de pressão), permitindo o controle da pressão do reservatório via supervisório.Adicionalmente, o tanque também contém uma válvula de segurança especificada de acordo com as condições de suportabilidade do reservatório.
• A tubulação permite a simulação de perda de carga através de furos de diferentes diâmetros (5 furos). A localização destes furos possibilita a medição das perdas.
A figura 7 ilustra o diagrama orientativo da bancada do compressor.
Figura 7 – Diagrama orientativo da bancada do compressor
A configuração mínima da bancada do compressor vem a seguir:
Compressor de ar: a pistão; compatível com motor de 1,5 cv.
onsável pela a transportadora-mento lineaa de simu-laçãque este sisteão de diferente
uir estão os coma da bancada d
a transportadados à utilizaçãinclinação de a
missor de Velou O a 10 VD
; compatível c.
motor: respoamento linear. to inversor/moga para até 12mento da colada pelo supeicas.
lo de Carga: rexercendo pres
ondições de carisório
de Carga:da sobre a esteiDC com indicaa supervisório.
ENSAIOS bancadas
s/estudos:
antamento da ou seja, conjação;
antamento daes (convencionado no eixo em
do da eficiênciões de carga en
do da eficiêncda variação
ento da válvulura do damper)o do reservat
a é composto ppossibilidade
0 graus.
mento linear anversor de freqsimulação de
ra. Como opçãar, pode ser ão de carga s
ema permita aes condi-ções d
mplementos pada correia transp
dora: comprimão do sistema daté 30 graus.
locidade da esDC; linear; preccom a velocid
onsável peloPode ser sub
otor. Deve perm20% da potêncrreia, sendo ervisório atrav
responsável pessão sobre a corga da correia e
para mediçira, com saída ação dos valo
S E ESTUD
permitem
as curvas carjugado no eixo
as curvas carnal e alto rendim função de sua
ia energética dntre 0 a 120%;
ia energética dda vazão da la), variação ) no ventiladotório, no com
por uma corree de ajuste d
acionado por uquência e moto carga sobre
ão ao sistema dutilizado out
sobre a correia simulação e de carga.
ara configuraçãportadora.
mento e largude deslocamen
steira: saída 4cisão < 0,5%; 2dade máxima d
o sistema dbstituído por umitir a simulaçãcia do motor desta simulaçã
vés de entrad
ela simulação dorreia, de acordestabelecidas v
ção da pressã4 a 20 mA ou
ores medidos n
OS
os seguint
racterísticas do em função d
racterísticas dimento), ou seja rotação;
dos motores pa
dos motores ebomba (estra
da vazão de or e variação dmpressor, assi
eia de
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a de tro ia,
a
ão
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de um ão de ão
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os ja,
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8
como da variação de carga na correia transportadora;
• Estudo de eficiência energética dos motores em função da utilização de inversores de frequência, atra-vés da variação de velocidade do conjunto motor-carga;
• Comparação entre as grandezas elétricas e mecânicas considerando as partidas direta, suave (soft start) e in-versor de frequência;
• Levantamento das caracteristicas elétricas e mecânicas monitoradas em função do tempo de funcionamento do conjunto motor-carga;
• No caso de utilização de acoplamento por polia, deverá permitir a análise da eficiência energética considerando diferentes ajustes no acoplamento entre o motor e a carga (ajustes, rendimento e tipo da polia).
3.1 Exemplo de aplicação Como exemplo de aplicação, foram feitos ensaios na bancada da bomba centrífuga para cinco valores diferentes de vazão. Para obtenção destas vazões usou-se apenas o método de estrangulamento de válvula e posteriormente foram coletados os valores indicados nas tabelas 1 e 2. O objetivo foi avaliar o consumo de energia apenas pela comparação entre o uso do motor da linha padrão e da linha alto-rendimento.
Na tabela 3 foi feita a comparação entre um sistema de bombeamento utilizando ambos os motores. Para um ano de utilização o estudo aponta para uma economia média de 15%.
Este artigo apresentou a especificação e as metas a serem alcançadas com a implantação do laboratório de eficiência industrial. A aquisição deste laboratório foi possível pela efetivação de um convênio entre a ELETROBRÁS/PROCEL/UFU, visando à cooperação técnica-financeira.
O Laboratório está apto a simular diversas condições operativas de cargas como bombas centrífugas, compressores, ventiladores e correias transportadoras demonstrando os fenômenos eletromecânicos pertinentes a estes sistemas.
Como diferencial, este laboratório traz a possibilidade de se fazer um estudo integrado de sistemas elétrico, mecânico, térmico e hidráulico. Uma vez que, a construção da bancada, se baseia na associação dos vários sistemas, torna-se impossível estudar a eficiência industrial por um sistema isolado.
Assim, tem sua relevância e inovação principalmente para o setor industrial, tornando-o competitivo a partir da redução do consumo e uso eficiente da energia elétrica.
5 AGRADECIMENTOS
A realização deste projeto foi possível pelo suporte financeiro proporcionado pela ELETROBRÁS / PROCEL.
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6 REFERÊNCIAS
ELETROBRÁS. Acesso em 02/02/2007, disponível em: http://www.eletrobras.gov.br
GELLER, Howard S. Revolução energética: políticas para um futuro sustentável. Trad. Maria Vidal Barbosa. Rio de Janeiro: Relume Dumará, 2003.
GOLDEMBERG, José. VILLANUEVA, Luz Dondero. Energia, meio ambiente e desenvolvimento. Trad. André Koch. 2ª. ed. São Paulo: EDUSP, 2003.
PROCEL. Orientações Gerais Para
Conservação de Energia em Prédios Públicos. Brasília, 2001.
CEMIG. Acesso em 03/02/2007, disponível em: http://www.cemig.com.br
SANTOS, A. H..M. e outros (2001). Conservação de Energia: Eficiencia Energética de Instalações e Equipamentos Editora da EFEI. 2ª. Ed. Itajubá. MG
MÁXIMA EFICIÊNCIA: Informativo do Programa Energia Inteligente da CEMIG . No. 3 – 2005