Influência do projecto nos custos energéticos
Um projecto apropriado é um pré requisito essencial para um baixo custo do ciclo de vida, no qual os custos energéticos têm o maior peso. Para tal, as bombas e os restantes componentes de um sistema têm de se combinar de uma forma perfeita. Se isto não acontecer na fase de projecto, quaisquer medidas tomadas na fase de obra ou de operação da instalação para reduzir custos têm efeitos muito limitados. As exigências de um sistema e os seus principais parâmetros necessitam de ser analisados em detalhe.
Fig. 1: Fórmula do custo energético de um sistema de bombagem
O diâmetro como factor de custo
Os diâmetros seleccionados para os sistemas de bombagem, assumem um papel muito relevante nos custos dos equipamentos (bombas, tubagem, válvulas, etc.), instalação e potência necessária. Na realidade, os custos de instalação, equipamentos e acessórios dependem directamente dos diâmetros.
Por outro lado, o diâmetro escolhido define também a velocidade de escoamento para o caudal de projecto. Qualquer aumento na dimensão da tubagem reduz a velocidade do escoamento e, por consequência, reduz a perda de carga dinâmica ao longo dos diversos componentes. Como as perdas de carga diminuem, também diminui a altura requerida pelo sistema. Desta forma, selecciona-se uma bomba para uma pressão de inferior.
No entanto, o tamanho óptimo da tubagem só poderá ser correctamente determinado, se o comportamento de todos os componentes do sistema estiver devidamente considerado.
O “rendimento” do sistema de bombagem é estabelecido através do cálculo da curva do sistema para as perdas de carga dinâmicas e a altura geométrica. Projectar o sistema da forma mais económica ao longo do seu tempo de vida requer dados adicionais, como por exemplo, a distribuição dos ciclos de funcionamento no que se refere a caudais. Além de outras informações, esta é decisiva para a selecção da bomba.
Principais factores do custo energético
A fórmula do Custo Energético Ce (fig.1) de um sistema de bombagem mostra os parâmetros mais relevantes.
Analisando em detalhe os parâmetros referentes à energia consumida pelas bombas, verifica-se que a altura manométrica da bomba, HP (t), que influencia proporcionalmente a potência consumida, é função das perdas de carga na tubagem e das exigências de consumo. Quanto menor for o diâmetro da tubagem e maior for o volume de líquido que passa através dela, maior é a potência requerida pela bomba dispendida em perdas por atrito.
Rendimento da tubagem
Fig. 2: “Rendimento” da tubagem
Esta não muito habitual abordagem do “rendimento” da tubagem (fig.2), estabelece o rendimento de um sistema de tubagens, no transporte de fluidos. As perdas por atrito são responsáveis pela perda de carga HL, que é determinada pela diferença entre a altura manométrica H1 no início da tubagem e a altura manométrica H2 no final da mesma:
se: HL = H1 - H2, então Então: Rend = 1 - HL / H1
Assim, quando a perda de carga dinâmica HL for minimizada, é atingido o rendimento máximo.
O exemplo da fig.3 descreve a situação num sistema de abastecimento de água de uma fábrica, para a refrigeração de máquinas de moldagem por injecção. Depois da injecção, o molde tem de ser arrefecido até uma temperatura pré-estabelecida. Para este efeito, é necessário um determinado caudal de água, à pressão de P = 2.0 bar, para assegurar a refrigeração apropriada de cada máquina.
Neste sistema aberto simples, o consumidor e a água no tanque de entrada estão situados ao mesmo nível. Por outras palavras, nenhuma água consegue chegar ao consumidor sem o auxílio de uma bomba. Neste exemplo, o consumidor necessita de um caudal Q = 18m3/h e uma pressão efectiva P2 = 2 bar (corresponde a H2» 20m de coluna de água).
Fig. 3: Exemplo de um sistema aberto
Estudo com tubagem DN 50 e funcionamento a caudal total
O sistema consiste numa tubagem, uma válvula de retenção e duas válvulas de seccionamento. Assumiu-se inicialmente uma tubagem com um diâmetro nominal de 50mm. Como ajuda de cálculo, foi utilizado o módulo de perdas de carga do programa de selecção “KSB EasySelect” (fig. 4). Considerou-se uma tubagem de espessura fina e como material o aço. A perda de carga total obtida, para uma velocidade do fluido v = 2,26m/s, foi de HL = 34 m.
Fig. 4: Cálculo das perdas de carga para tubagem DN50
O diagrama seguinte (fig.5) ilustra a situação para a tubagem DN 50. A curva característica da bomba intercepta a curva do sistema nos 54m. Devido à elevada velocidade do fluido (v » 2,3 m/s), as perdas aumentam para 34m de coluna de água. Por este motivo, somente 37% da pressão de descarga das bombas chega ao consumidor como altura efectiva, enquanto 63% é devorado por impedimentos à passagem do fluido!
Fig. 5: Representação gráfica do sistema para tubagem DN 50
Como a “altura efectiva” disponível para o consumidor é conhecida (H2= 20m), é fácil de calcular o “Rendimento Hidráulico” de toda a tubagem, incluindo válvulas. Neste caso, Rendtubagem = 0.37, o que é bastante baixo, e a potência requerida pela bomba é 3,95 kW.
Estudo com tubagem DN 80 e funcionamento a caudal total
Este programa de selecção também permite um cálculo rápido das perdas de carga para outros diâmetros nominais. Basta apenas alterar o campo do DN, de 50 para 80 (no nosso exemplo).
Fig. 6: Cálculo das perdas de carga para tubagem DN80
Com DN 80 a velocidade média do fluido diminui para v = 1 m/s. Como as perdas de carga dinâmicas são função, aproximadamente quadrática, da velocidade do fluido, a perda de carga total cai para HL = 4 m.
Observando a fig.7, verifica-se uma situação claramente diferente. Aumentando o diâmetro nominal da tubagem para 80 mm, reduz-se decididamente as perdas dinâmicas, para 4 m de coluna de água, o “rendimento” da tubagem aumenta para 83 %, e a potência requerida pela bomba reduz para 1,76 kW.
Fig. 7: Representação gráfica do sistema para tubagem DN 80
Comparação dos dois estudos
Comparando os dois sistemas em termos de custo inicial (Fig.8), obtemos os seguintes resultados:
Fig. 8: Comparação dos custos: tubagem DN 50 vs DN 80
Enquanto os custos iniciais do sistema DN 80 são cerca de 24% (+475 €) mais elevados do que os do sistema DN 50, no final do primeiro ano de funcionamento, a caudal total (cerca de 4800 horas de serviço), teremos uma poupança energética de 1.568 €!
Um efeito secundário positivo de um projecto economicamente optimizado é o facto do sistema ter uma melhor hidráulica, com um perfil de perdas de carga plano. Graças às baixas pressões diferenciais existentes na tubagem, também o equilíbrio hidráulico é mais fácil e as perdas de carga geradas pelas válvulas de equilíbrio não necessitam de ser tão altas.
Conclusão
Custos energéticos elevados não são um mal inevitável. Frequentemente, eles são a consequência de uma poupança mal orientada. No projecto de um sistema, qualquer pessoa que se concentre apenas nos custos do investimento inicial dos diversos componentes, ficará admirada com a quantidade de energia que o sistema final consome.
Um projecto focado nos custos do ciclo de vida do sistema, e especialmente nos custos energéticos da bomba a médio prazo, e que recorra ao estudo de diversas opções de tamanho de tubagem, poderá chegar à importante conclusão que o investimento inicial adicional é recuperado num muito curto espaço de tempo, além de criar um sistema mais estável, e por isso mais fiável !
Rui Ferreira, Responsável do Depto. de Edifícios