Influência do projecto no custo do ciclo de vida

Um projecto apropriado é um pré-requisito essencial para um baixo custo do ciclo de vida. As bombas e os componentes de um sistema têm de se combinar perfeitamente. Se estas condições não forem cumpridas, quaisquer medidas tomadas posteriormente para reduzir custos somente conseguem ter um efeito limitado. As exigências de um sistema e os seus principais parâmetros necessitam de ser analisados em detalhe. 


Influência do projecto no custo do ciclo de vida_fig. 1 Fig. 1: Principais factores do Custo Energético

Diâmetro como factor de custo

No que diz respeito aos custos dos equipamentos (bombas, tubagem, válvulas, etc.), instalação e potência necessária, os diâmetros seleccionados para os sistemas de bombagem assumem um papel muito relevante. Deles dependem directamente os custos de instalação, dos equipamentos e dos acessórios. 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 com uma pressão de descarga inferior. No entanto, o tamanho óptimo da tubagem poderá ser somente encontrado, 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. 

Parâmetros 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 percentagem de potência requerida pela bomba dispendida em perdas por atrito. 

“Rendimento” da tubagem

Influência do projecto no custo do ciclo de vida_fig. 2 Fig. 2: “Rendimento” da tubagem

Esta abordagem não muito habitual (fig.2) estabelece o rendimento de uma tubagem, ou de um sistema de tubagens, no seu transporte de fluidos. As perdas por atrito são responsáveis pela perda de carga HL, que é determinada pela diferença entre a altura manométrica inicial H1 no início da tubagem e a altura manométrica residual H2 no final da mesma:

                                              se:   HL = H1 - H2

            HL = H1 - H2

                                              Então: η =1- HL / H1                                                                     

Quando a perda de carga dinâmica HL for minimizada, o rendimento máximo é atingido.

O exemplo da fig.3 descreve a situação num sistema de abastecimento de água de uma hipotética 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 necessária uma determinada quantidade 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. 

São necessários para o consumidor, um caudal de Q = 18m3/h e uma pressão efectiva de P2 = 2 bar (corresponde a H2≈ 20m de coluna de água).

Influência do projecto no custo do ciclo de vida_fig. 3 Fig. 3: Sistema aberto DN 50 – Funcionamento a caudal nominal

O sistema consiste numa tubagem, uma válvula de retenção e duas válvulas de seccionamento. Assumiu-se inicialmente uma tubagem com um diâmetro nominal de 50 mm. Como ajuda de cálculo, foi utilizado um módulo de cálculo de perdas de carga do programa de selecção da KSB (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 de v = 2,26 m/s, foi de:

                                                            HL = 34 m

Influência do projecto no custo do ciclo de vida_fig. 4 Fig. 4: Perdas de carga para tubagem DN50, calculadas através do software KSB

O diagrama seguinte (fig.5) ilustra a situação para a tubagem DN 50. A curva característica da bomba intercepta a curva do sistema nos 54 m. Devido à elevada velocidade do fluido (v ≈ 2,3 m/s), as perdas aumentam para 34 m 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!

Influência do projecto no custo do ciclo de vida_fig. 5 Fig. 5: Situação para a 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, ηtubagem = 0,37, o que é bastante baixo, e a potência requerida pela bomba é 3,95 kW. 

DN 80 – Funcionamento a caudal nominal

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).

Influência do projecto no custo do ciclo de vida_fig. 6 Fig. 6: Perdas de carga para tubagem DN 80, calculadas através do software KSB

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 nitidamente alterada. Aumentando o diâmetro nominal da tubagem para 80 mm, reduz-se decididamente as perdas dinâmicas.

As resistências ao fluido decrescem para 4 m de coluna de água, o “Rendimento Hidráulico” aumenta para ηtubagem = 0,83, e a potência requerida pela bomba é somente 1,76 kW.

Influência do projecto no custo do ciclo de vida_fig. 7  Fig. 7: Situação para a tubagem DN 80

Comparação dos custos dos dois sistemas

Comparando os dois sistemas em termos de custo inicial (Fig.8), obtemos os seguintes

resultados:

Influência do projecto no custo do ciclo de vida_fig. 8 Fig. 8: Comparação dos custos: DN 50 vs. DN 80

Enquanto que os custos iniciais do sistema DN 80 são cerca de 24% mais elevados do que os do sistema DN 50 (+475 €), no final do primeiro ano de funcionamento a caudal nominal e considerando 4800 horas de serviço, teremos uma poupança energética de 1.568€

Um efeito secundário positivo de um projecto económico 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 somente nos custos de investimento inicial dos diversos componentes, ficará admirada com a quantidade de energia que o sistema final consome. Reciprocamente, o custo adicional de um sistema económico será recuperado dentro de um muito curto espaço de tempo. 

Rui Ferreira / Resp. Depto. Edifícios

 




                            


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