Capítulo 3 Bombas hidráulicas

As bombas hidráulicas são máquinas transformadoras de energia, neste caso, transformam energia mecânica, advinda dos motores elétricos e a convertem em energia hidráulica. As bombas podem ser divididas em duas categorias: bombas volumétricas e bombas hidrodinâmicas (turbobombas). As mais comumente utilizadas em irrigação são as hidrodinâmicas.

1. Bombas volumétricas: o órgão fornece energia ao fluido em forma de pressão. São as bombas de êmbulo ou pistão e as bombas de diafragma. O intercâmbio de energia é estático e o movimento é alternativo.
2. Turbo-Bombas ou Bombas Hidrodinâmicas: o órgão (rotor) fornece energia ao fluido em forma de energia cinética. O rotor se move sempre com movimento rotativo.

Os principais componentes da bomba são o rotor e o difusor. O rotor é o órgão móvel que fornece energia ao fluido. É responsável pela formação de uma depressão no seu centro para aspirar o fluido e de uma sobrepressão na periferia para recalcá-lo. O Difusor é um canal de seção crescente que recebe o fluido vindo do rotor e o encaminha à tubulação de recalque. Possui seção crescente no sentido do escoamento com a finalidade de transformar a energia cinética em energia de pressão. Na Figura 18 é apresentado um esquema com a representação de uma bomba centrífuga.

3.1 Classificação das bombas hidráulicas

3.1.1 Quanto ao número de rotores dentro da carcaça

1. Bombas de simples estágio, monoestágio ou unicelular: a bomba possui um único rotor dentro da carcaça. Teoricamente é possível projetar uma bomba com um único estágio para qualquer situação de altura manométrica e de vazão. As dimensões excessivas e o baixo rendimento fazem com que os fabricantes limitem a altura manométrica para 100 m.
2. Bombas de múltiplos estágios: a bomba possui dois ou mais rotores dentro da carcaça. É o resultado da associação de rotores em série dentro da carcaça. Essa associação permite a elevação do líquido a grandes alturas (>100 m), sendo o rotor radial o mais indicado para esta associação.

Na Figura 19 observam-se as bombas monoestágio (a) e multiestágios (b).

3.1.2 Quanto ao posicionamento do eixo

1. Bomba de eixo horizontal: O eixo da bomba se encontra posicionado horizontalmente à superfície do solo. É a concepção construtiva mais comum.
2. Bomba de eixo vertical: O eixo da bomba se encontra posicionado verticalmente à superfície do solo. Usada na extração de água de poços profundos.

Na Figura 20 observam-se as bombas de eixo horizontal (a) e vertical (b).

3.1.3 Quanto ao tipo de rotor

1. Rotor aberto: usada para bombas de pequenas dimensões. Possui pequena resistência estrutural. Baixo rendimento. Dificulta o entupimento, podendo ser usado para bombeamento de líquidos sujos.
2. Rotor semi-aberto ou semi-fechado: possui apenas um disco onde são afixadas as palhetas.
3. Rotor fechado: usado no bombeamento de líquidos limpos. Possui discos dianteiros com as palhetas fixas em ambos. Evita a recirculação da água, ou seja, o retorno da água à boca de sucção.

3.1.4 Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água.

1. Bomba de sucção positiva: o eixo da bomba situa-se acima do nível d’água do reservatório de sucção (Figura 22).



2. Bomba de sucção negativa ou afogada: o eixo da bomba situa-se abaixo do nível d’água do reservatório de sucção (Figura 23).

3.2 Seleção da bomba

Para se selecionar determinado conjunto motobomba é necessário saber, basicamente, qual a vazão e a altura manométrica do projeto. De posse destes dados, se consulta os catálogos dos fabricantes para escolher qual modelo de bomba atenderá ao projeto. Cada fabricante possui determinado padrão de catálogos, uns utilizam curvas e gráficos, outros, tabelas. Deve-se saber, antes de consultar os catálogos, se o fabricante possui revenda na região e se possui assistência técnica e peças para reposição.

Para o cálculo da altura manométrica, somam-se as alturas geométricas (sucção e recalque) com as perdas de carga (ao longo da tubulação e localizadas).

• Altura geométrica de sucção: é a diferença de nível entre o nível d'água e o eixo da bomba;
• Altura geométrica de recalque: é a diferença de nível entre o eixo da bomba e o ponto mais alto da tubulação de recalque, geralmente a extremidade do tubo, no destino da água;
• Perda de carga ao longo da tubulação: perdas ocorridas devido ao atrito entre as paredes internas e as moléculas de água, e estas, entre si;

• Perda de carga localizada: perdas ocorridas devido à presença de peças especiais (conexões, válvulas, etc.).

Para se calcular a Altura Manométrica, utiliza-se a Equação 16.

Exemplo 3.1: Seleção de uma bomba

Selecione uma bomba para atender a uma vazão de 104,4 m³ h^-1 e uma altura manométrica de 65 m.

Pelo Catálogo da Mark-Peerless, para a rotação de 3.500 rpm, tem-se os modelos apresentados na Figura 24. Observa-se que, para os dados fornecidos, os modelos GN e GM atendem ao projeto. Para decidir qual o modelo deverá ser usado, consultam-se as curvas características de cada modelo, como apresentado nas Figuras 25 (GM) e 26 (GN).

Na Figura 25 (Modelo GM), observa-se que o ponto de projeto está situado pouco acima da curva do rotor de 174 mm e entre as curvas de rendimento 78% e 80%. Caso seja este o modelo selecionado, será necessário usar o rotor de 185 mm, que é o diâmetro imediatamente superior ao ponto e projeto. Considera-se que o rendimento seja de 79%. Para o modelo GN (Figura 26), seria usado o rotor de 239 mm, com eficiência de 64%.

Como o modelo GM apresenta maior eficiência, será o selecionado. Recomenda-se que se observem outros modelos, de diferentes fabricantes. É importante também, observar o valor de aquisição da bomba, pois, em curto prazo, torna-se mais econômica. O modelo mais eficiente é mais econômico em longo prazo, devido ao menor consumo de energia elétrica.

Exemplo 3.2: Dimensionamento de uma tubulação e seleção de uma motobomba

Dimensionar uma tubulação e um conjunto motobomba, conforme esquema apresentado na Figura 27, para elevar água até um reservatório, localizado a uma altura de 60 m, em relação à motobomba, com capacidade para 80.000 litros. A bomba somente poderá funcionar à noite, durante 8 horas, para se utilizar a tarifa reduzida de energia elétrica.

a) Cálculo da vazão

b) Cálculo do diâmetro da tubulação

Para este exemplo se consultou a Tabela 11, presente no capítulo 4, com tubos PN 80. Utilizando-se a Equação da Continuidade (Equação 18) e suas variações (Equações 19, 20 e 21), é possível calcular a velocidade de água no interior da tubulação.

Obs.: a velocidade deverá estar entre 1 e 2 m s^-1. Considerar o diâmetro interno das tubulações.

Testando o diâmetro de 100 mm (0,1 m)

Testando o diâmetro de 75 mm (0,075 m)

Testando o diâmetro de 50 mm (0,050 m)

Será adotado o diâmetro de 50 mm (2 polegadas) para o recalque. Recomenda-se que o diâmetro de sucção seja superior ao de recalque, com isso, pode-se adotar o de 75 mm.

Outra opção de dimensionamento, mais prática, é rearranjar a equação anterior, deixando-se o diâmetro em evidência, da seguinte forma:

Assim, aplicando-se um valor médio de velocidade igual a 1,5 m s^-1, e os valores utilizados no exemplo anterior, tem-se:

Arredondando-se para cima, tem-se o diâmetro comercial de 0,05 m ou 50 mm.

c) Cálculo da perda de carga no recalque

d) Cálculo da perda de carga na sucção

e) Cálculo da altura manométrica

Considerando um adicional de 10% de adicional da perda de carga para as perdas localizadas, tem-se:

f) Seleção da bomba

$\mathrm{Q}=10{\mathrm{\text{m}}}^3{\mathrm{\text{h}}}^{-1}\mathrm{\text{e}}{\mathrm{h}}_{\mathrm{\text{m}}}=78\text{mca}$

Modelos pré-selecionados conforme as curvas e tabelas apresentadas:

Fabricante	Modelo	Rendimento
KSB (3.500 rpm)	25–200 (A) Rotor de 209 mm	30%
KSB (1.750 rpm)	Nenhum modelo atende	–
Schneider (3.500 rpm)	ME-2 7,5 cv 3 estágios rotor 135 mm	30%
Schneider (3.500 rpm)	VME-9 5 cv 6 estágios rotor 101 mm	62%

3.3 Instalação de bombeamento

Em instalações de bombeamento, há necessidade de algumas peças especiais, como válvulas, reduções e ampliações, curvas etc. Na Figura 33 observa-se um sistema de bombeamento típico, com presença de:

• Válvula de pé com crivo: tem a função de manter a tubulação de sucção cheia d'água, pois permite o deslocamento de água em sentido único e, quando a bomba é desligada, a válvula se fecha e não permite o seu retorno. O crivo da válvula tem a função de impedir a entrada de corpos estranhos, como fragmentos de plantas e animais, que poderiam danificar ou obstruir o interior da bomba.
• Curva: tem a função de ajustar a tubulação à geometria da instalação, permitindo a conexão. Em alguns casos, utiliza-se mangotes (mangueiras flexíveis) na sucção, o que dispensa o uso da curva;
• Redução excêntrica: permite a conexão de uma tubulação de maior diâmetro à entrada da bomba que, geralmente, possui menor diâmetro. Na sucção, a redução deve ser excêntrica (não deve ser concêntrica) para evitar o acúmulo de bolhas de ar;
• Ampliação concêntrica: permite a conexão da saída da bomba (menor diâmetro) à tubulação de recalque (diâmetro superior);
• Válvula de retenção: possui funcionamento semelhante ao da válvula de pé e evita o retorno da água em caso de desligamento da bomba, que ocasionaria uma carga d'água em cima da bomba (calço hidráulico). Outro problema pode ocorrer se o motor elétrico girar, funcionando como um gerador elétrico, que pode queimar o painel e a instalação elétrica;
• Válvula de gaveta: também chamada de registro de gaveta, serve para a interrupção do fluxo de água, com fechamento lento. Não se deve usar válvulas do tipo esfera ou globo (fechamento rápido), pois podem causar um golpe de aríete quando for fechada e promover o rompimento da tubulação. Em geral, para se ligar e desligar a bomba, a válvula de gaveta deverá estar fechada.

As bombas centrífugas, quando corretamente instaladas e manejadas, possuem uma vida útil relativamente longa. É importante observar os seguintes pontos na instalação e no manejo dos conjuntos motobombas:

• A altura de sucção deve ser a mínima possível. Devem-se evitar peças especiais ou curvas desnecessárias na tubulação de sucção, para diminuir as perdas de carga.
• A tubulação de sucção deve ser isenta de entrada de ar e deve apresentar uma inclinação ascendente para a bomba, sem pontos altos. Deve-se instalar válvula de pé e crivo, no seu início, para facilitar o escorvamento e evitar a entrada de corpos estranhos.
• O conjunto deve ser protegido contra inundação e chuva.
• A fundação sobre a qual se apoiará o conjunto deve ser bem firme e nivelada, de modo que permita um correto alinhamento e evite as trepidações.
• As tubulações de sucção e recalque devem ter suportes próprios e próximos à bomba. Não devem apoiar sobre a bomba.
• Devem-se instalar na tubulação de recalque uma válvula de retenção e um registro de fechamento lento (registro de gaveta). É necessário fechar o registro, antes de parar e de ligar o motor.

A motobomba somente deve ser ligada após verificar se ela está escorvada. Os principais defeitos que ocorrem em uma bomba centrífuga e as suas prováveis causas são:

• Sem vazão: bomba não escorvada; velocidade de rotação muito baixa; altura de sucção ou de recalque muito elevada; rotor completamente entupido; sentido de rotação errado; crivo e válvula de pé enterrados no fundo do poço, ou registro fechado.
• Com pouca vazão: bolsa de ar na tubulação de sucção; altura de sucção ou de recalque elevada; rotor parcialmente entupido ou danificado; válvula de pé agarrada, de crivos pequenos ou pouco submersos; sentido de rotação do rotor errado.
• Com pouca pressão: velocidade de rotação muito baixa; rotor danificado ou com sentido de rotação errado ou com diâmetro muito pequeno.
• Com decréscimo de vazão num período de funcionamento: entrada de ar na tubulação de sucção; entupimento do crivo; altura de sucção muito elevada.
• Consumo exagerado de energia: altura manométrica inferior à prevista, o que aumenta a vazão bombeada; eixo não alinhado ou empenado; mancais muito apertados.