UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

AVALIAO DE SISTEMA ELIO-ELTRICO DE BOMBEAMENTO DE GUA

LUIZ CARLOS NASCIMENTO LOPES

Fortaleza Agosto de 2011

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LUIZ CARLOS NASCIMENTO LOPES

AVALIAO DE SISTEMA ELIO-ELTRICO DE BOMBEAMENTO DE GUA

Dissertao submetida Universidade Federal do Cear como parte dos requisitos para obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica.

Orientador: Prof. Paulo Cesar Marques de Carvalho, Dr.

Fortaleza Agosto 2011

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DEDICATRIA

Deus, que por seu infinito amor e pura misericrdia me concedeu vida e sade. Para que eu, tambm usando do amor, encontre atravs da pesquisa, formas saudveis de atender as demandas da coletividade. Aos meus amigos, colegas e a todos que de alguma forma contriburam para a concluso deste trabalho. Meus pais, Manoel Lopes Sobrinho e Francisca Nascimento Lopes; meus irmos Carlos Jivago e Carlos Jos, meus filhos Priscila Vanessa, Luiz Vincio a Maria Luiza, a minha enteada Maria Eduarda e minha esposa Maria Laudicelia pelos momentos de alegria

proporcionados a minha pessoa. A todos os familiares, eu dedico este trabalho.

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AGRADECIMENTOS

Deus que tudo criou, usando da fora do amor. E que pela sua infinita bondade para com ser humano, tudo nos permite fazer, mas nunca esqueamos que somos responsveis pelos resultados do que fazemos! Ao professor, orientador e amigo, Paulo Carvalho. Agradeo pela orientao, ateno e oportunidade de convivncia durante esta temporada. Aos colegas professores do IF- Serto Pernambucano, da coordenao do curso de eletrotcnica; Joo Tercio, ureo Cezar, Amrico, Amenade, Ricardo, Raniere, Arnaldo pinho in memorian e em especial ao professor e amigo Rangel, que considero um dos grandes responsveis por minha formao no mestrado. Aos demais colegas do IF- Serto Pernambucano na pessoa do Professor Ccero Antnio, pelo apoio moral e administrativo necessrios para liberao integral durante o curso. Aos professores do departamento de Engenharia Eltrica Henrique Cunha, Jos Carlos, Lus Henrique e Fernando Antunes, Demercil por oportunizarem novos conhecimentos e fornecer os subsdios descoberta de um novo panorama dos conhecimentos anteriores. Ao Centro de Cincias Agrrias da UFC na figura do seu diretor Prof. Dr. Sebastio Medeiros Filho, e cumprimentos especiais aos Prof. Wladimir e Prof. Marcos Esmeraldo. Aos servidores da UFC: Gadelha, Mrio Srgio e Rafael no apoio administrativo. Ao Prof. Dr. Adeon Ceclio Pinto da UNIVASF pelo farto material de estudo referente energia elica; prontamente disponibilizado. Aos colegas: Daniel, Fbio Timb, George, Herminio, Heiner, Luciene, Maikel, Renato, Sigefredo Neto, Andre Pimentel, Daniele e Sandro Juca. CAPES pela bolsa de mestrado concedida pelo PIQDTec. Ao CNPq pelo financiamento do projeto. Vide tambm para os navios, ainda que eles sejam to grandes e acionados por fortes ventos estes so guiados por um leme muito pequeno para onde quer que deseje o piloto dirigi-lo. Tiago 3:4

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RESUMO Lopes, L.C.N. Avaliao de um sistema elio-eltrico de bombeamento de gua, Dissertao de mestrado em Engenharia eltrica, Universidade Federal do Cear (UFC), Fortaleza, 2011, 170 p. Esta dissertao implementa uma planta de uma unidade de bombeamento suprida por eletricidade a partir da energia elica, para viabilizar a extrao da gua de poos. Instalada na Estao de Engenharia de Pesca no Campus do Pici situado na Universidade Federal do Cear (UFC), em Fortaleza - CE, Brasil. A unidade dispe de um aerogerador (1 kW-220 Vca), um controlador de carga, um sistema de bombeamento de gua a partir de poo at um reservatrio elevado. A energia eltrica para o acionamento do sistema de bombeamento pode ser fornecida pelo tanto pelo aerogerador quanto atravs da rede eltrica convencional. Outro aspecto enriquecedor do trabalho foi o desenvolvimento de uma tubulao configurvel em que possvel submeter bomba a diversas cargas hidrulicas, para fins de realizao dos testes operacionais. A planta desenvolvida foi capaz de bombear, em mdia, 4.318 L/dia de gua com o valor mximo 10.698 L/dia a uma velocidade de vento mdia de 3,84 m/s. Os rendimentos mdios alcanados foram 10% (elico/hidrulico) e 41% (eltrico /hidrulico) para uma velocidade de 6,5 m/s. Os ensaios realizados demonstraram baixa robustez do aerogerador utilizado, comprometendo, dessa forma, a disponibilidade operacional e a confiabilidade do equipamento. So sugeridos aes para garantir a viabilidade da unidade usada no bombeamento de gua acionada por aerogerador de pequeno porte.

Palavras-chave: Turbina elica, bomba centrfuga, sistema hidrulico, controlador de carga.

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ABSTRACT Lopes, L.C.N. Evaluating of a wind-electric system for water pumping, Master Dissertation in Electrical Engineering, Federal University of Cear (UFC), Fortaleza, 2011, 170p.

This dissertation implements the plant of an unit of pumping water supplied by electricity from the wind energy, to make possible the wells water extraction in semi-arid regions installed at the Station of Engineering Fishing on Pici's Campus of University Federal of the Cear (UFC), in Fortaleza - CE, Brazil. The unit has a wind turbine (1kW-220 Vac), a load controller, and a water pumping system from a well to an elevated reservoir. The electricity to water pumping system can be powered by wind turbine or conventional grid. Other aspect that improves the work was the development of a piping that can be configured to submit the water pumping system to several hydraulics loads to accomplish the operational tests. The developed plant was able to pump, on an average, 4.318 L/day of water with the maximum value of 10.698 L/day to an average wind speed of 3,84 m/s. The reached average efficiency were : 10% (wind/hydraulic) and 41% (electric/hydraulic) by a wind speed of 6,5 m/s. The accomplished rehearsals demonstrated low robustness of the wind turbine used,

pledging, thus, the operational availability and the equipment reliability. Actions are suggested to guarantee the viability of this model of water pumping powered by small size wind turbines.

Words-key: wind turbine, centrifugal pump, hydraulic systems, load controller.

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SUMRIO LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................... LISTA DE TABELAS ..................................................................................................... xiii xvii

LISTA DE SIMBOLOS ................................................................................................... xviii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ................................................................... xxi

LISTA DE UNIDADES DE MEDIDA ........................................................................... xxii

CAPTULO 1

CONTEXTO ATUAL DA ENERGIA ELICA.............................................................. 1.1 Objetivos.......................................................................................................................

1 5 5 5 5 6

1.1.1 Objetivo Geral.............................................................................................................. 1.1.2 Objetivos Especficos............................................................................................. 1.2 1.3 Metodologia.................................................................................................................. Estrutura do Trabalho...................................................................................................

CAPITULO 2

SISTEMAS DE BOMBEAMENTO DE GUA ACIONADOS POR FONTES RENOVVEIS DE ENERGIA........................................................................................... 2.1 Tecnologias de Bombeamento................................................................................... 7 7 8

2.1.1 Classificao das Bombas.......................................................................................... 2.2

As Bombas Volumtricas........................................................................................... 11

2.2.1 Sistemas de bombeamento eltrico com bomba de diafragma.................................. 12 2.2.2 Sistema de Bombeamento Fotovoltaicos Implementado com Bomba Volumtrica................................................................................................................ 14 2.2.3 Bomba vibratria como alternativa bomba de cavidade progressiva...................... 18 2.2.4 Bomba Volumtrica Acionada por Aerogerador....................................................... 20 2.3 As Bombas Hidrodinmicas ou Cinticas.................................................................. 22

2.3.1 Bombas Centrfugas................................................................................................... 22 2.3.2 Funcionamento da Bomba Centrfuga....................................................................... 23

2.3.3 Caractersticas Operacionais das Bombas Centrfugas.............................................. 24 2.3.4 A Bomba Centrifuga Operando em Velocidade Varivel.......................................... 26

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2.3.5 Bomba Centrfuga Acionada Pela Rede Eltrica....................................................... 28 2.3.6 Bomba Centrfuga Acionada por Aerogerador.......................................................... 29

CAPITULO 3

DESCRIO DA PLANTA DO SISTEMA ELICO DE BOMBEAMENTO DE GUA.................................................................................................................................... 33 3.1 Descrio Geral da Planta.......................................................................................... 33

3.1.2 Descrio Resumida da Planta................................................................................... 33 3.1.3 Princpio de Funcionamento do Sistema Elico de Bombeamento de gua............. 40 3.2 Descrio do Sistema Eltrico da Planta.................................................................... 42

3.2.1 Aerogerador................................................................................................................ 45 3.2.1.1 A Turbina Elica........................................................................................................ 45 3.2.1.2 O sistema de Orientao............................................................................................. 46 3.2.1.3 Gerador....................................................................................................................... 46 3.2.2 Controlador................................................................................................................ 3.2.3 Motor de Induo de Acionamento da Bomba.......................................................... 48 50

3.2.4 Conversor de Freqncia............................................................................................ 52 3.2.5 Analisador de Energia (Ligaes Eltricas)............................................................... 54 3.2.6 Dispositivos Eltricos de Uso Geral.......................................................................... 55

3.2.6.1 Disjuntores................................................................................................................. 55 3.2.6.2 Quadro de Comando do Motor.................................................................................. 55

3.2.6.3 Tomadas de Fora e Lmpadas.................................................................................. 57 3.2.6.4 Cabos Eltricos........................................................................................................... 57 3.3 Descrio do Sistema Hidrulico da Planta............................................................... 58

3.3.1 Tubulao................................................................................................................... 59 3.3.2 Poo (Fonte de gua)................. ............................................................................... 63 3.3.3 Reservatrio............................................................................................................... 65 3.3.4 Bomba Centrfuga...................................................................................................... 66 3.4 Descrio do Sistema de Aquisio de Dados........................................................... 69

3.4.1 Computador................................................................................................................ 70 3.4.2 O Analisador de Energia............................................................................................ 71 3.4.3 Datalogger.................................................................................................................. 73

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3.4.4 Os Sensores................................................................................................................ 76 3.4.4.1 Anemmetro............................................................................................................... 76 3.4.4.2 Tacogerador................................................................................................................ 77 3.4.4.3 Transdutor de presso de vcuo................................................................................. 79 3.4.4.5 Transdutor de vazo................................................................................................... 80 3.5 Procedimentos para Escolha da Bomba (Dimensionament)...................................... 81

3.5.1 Escolha da bomba em Funo das Caractersticas do Vento Local........................... 81 3.5.2 Escolha da bomba em Funo das Caractersticas do Poo....................................... 85

CAPITULO 4

VALIDAO EXPERIMENTAL DA UNIDADE DESENVOLVIDA.......................... 88 4.1 Comportamento do Vento para Local.......................................................................... 91

4.1.1 Caractersticas do Local............................................................................................... 91 4.1.2 Turbulncia................................................................................................................... 92 4.1.3 Distribuio Weibull para Velocidade do Vento Local............................................... 93 4.1.4 Comportamento do Vento para Local......................................................................... 93

4.1.5 Fator de Forma K......................................................................................................... 94 4.1.6 O fator de escala C....................................................................................................... 95 4.1.7 Distribuio da Velocidade do Vento no Local para o Perodo de 2010..................... 96 4.1.8 Valores Mdios para o Local........................................................................................ 98 4.1.9 A Energia Elica Disponibilizada para o Perodo........................................................ 99 4.2 A Disponibilidade de Energia Eltrica em Funo do Vento....................................... 101

4.2.1 Potncia Eltrica na Sada do Aerogerador, e a Utilizada pelo Conjunto MotorBomba.......................................................................................................................... 101 4.2.2 Energia Disponibilizada pelo Aerogerador GRW 246................................................. 102 4.2.3 Fator de Capacidade do Aerogerador GRW 246.......................................................... 106 4.3 Comportamento da Bomba em Funo da Velocidade do Vento................................ 107

4.3.1 Potncia Absorvida pelo Motor da Bomba em Funo da Velocidade Vento............. 107 4.3.2 Curvas de Rotao da Bomba....................................................................................... 108 4.3.3 Curvas de vazo da bomba........................................................................................... 109 4.4 4.5 Comportamento das Variveis No-Eltricas do Processo.......................................... 110 O Volume de gua Bombeada e a Energia Gerada pelo Sistema................................ 114

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4.5.1 Ensaio Realizado em Janeiro de 2010.......................................................................... 114 4.5.2 Medies Realizadas em Novembro de 2010.............................................................. 116 4.6 Estudos Relacionados Tubulao Hidrulica da Planta............................................ 119

4.6.1 Modelo do Sistema Hidrulico da Planta..................................................................... 119 4.6.2 Perdas de Carga em Tubos e Conexes da Tubulao................................................. 121 4.6.3 Ponto de Operao do Sistema de Bombeamento........................................................ 124 4.6.4 Configurao do Circuito Hidrulico de Elevao....................................................... 127 4.6.5 Rendimento e Potncia do Sistema Hidrulico............................................................ 130 4.6.6 Clculo do NPSH......................................................................................................... 134 4.7 Principais Dificuldades Superadas............................................................................... 136

CAPTULO 5

CONSIDERAES FINAIS E CONCLUSES.............................................................. 141 Concluses..............................................................................................................................143 Sugestes de Trabalhos Futuros........................................................................................ 144 REFERNCIAS BIBLIOGRAFICAS............................................................................... 149 APNDICE A - Publicao Produzida................................................................................. 150

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Comparao entre o fluxo de gua do Rio So Francisco e o regime de vento no Nordeste do Brasil [5].................................................................................. Figura 2.1 Diagrama de blocos dos tipos de bombas hidrulicas....................................... Figura 2.2 Estrutura interna da bomba de diafragma submersa [12]................................. Figura 2.3 Sistema implementado com bomba de diafragma do tipo submersa, adaptado de [12]............................................................................................................... 13 Figura 2.4 Altura manomtrica total [12]........................................................................... 14 Figura 2.5 Grfico de desempenho [12]............................................................................. 14 Figura 2.6 Sistemas de bombeamento fotovoltaico, adaptado de [13]............................... 15 Figura 2.7 Diagrama de montagem de uma bomba de cavidade progressiva submersa [13].................................................................................................................... 17 Figura 2.8 Bombeamento FV com bomba submersa do tipo vibratria [15]..................... 19 Figura 2.9 Bombas dgua Anauger Solar [15].................................................................. 20 Figura 2.10 Sistema de bombeamento elico eltrico com bomba submersa...................... 21 Figura 2.11 Corte de uma bomba centrfuga: (a) vista lateral do caracol e (b) vista frontal do caracol [11].................................................................................................. 22 3 9 11

Figura 2.12 Eficincia versus velocidade especfica da bomba centrfuga.......................... 25 Figura 2.13 Altura, eficincia, e potncia motora em funo da vazo............................... 25 Figura 2.14 Curvas da altura versus vazo para duas velocidades diferentes (n1, n2).......... 26 Figura 2.15 Sistema de bombeamento usando uma bomba centrfuga, adaptado de [21]... 28 Figura 2.16 Bombeamento elico implementado com bomba centrfuga............................ 31 Figura 3.1 Esquema geral da planta do sistema de bombeamento elico.......................... 34 Figura 3.2 Vista panormica da planta do sistema de bombeamento elico...................... 36 Figura 3.3 Suspenso dos tubos e cabos............................................................................. 37 Figura 3.4 Poo alimentador de gua da planta.................................................................. 38 Figura 3.5 Painis da planta e fiao eltrica..................................................................... 38 Figura 3.6 Detalhes da tubulao residente no interior do cubculo.................................. 39 Figura 3.7 Sistema de aerogerao para bombeamento de gua........................................ 40 Figura 3.8 Diagrama multifilar do sistema eltrico da planta da unidade elica de bombeamento de gua....................................................................................... 42 Figura 3.9 Transmisso de energia eltrica entre gerador e motor..................................... 44

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Figura 3.10 Conjunto, turbina, gerador e sistema de direcionamento, integrados............... 47 Figura 3.11 Diagrama eltrico do controlador de carga....................................................... 49 Figura 3.12 Circuito de fora de um conversor de freqncia............................................. 52 Figura 3.13 Conversor de Freqncia CFW 08 [26]............................................................ 53 Figura 3.14 Painel traseiro do Analisador de Energia RE 6010 [27]................................... 54 Figura 3.15 Ligao eltrica do analisador de energia para entrada em estrela................... 54 Figura 3.16 Interior do quadro de comando do motor.......................................................... 56 Figura 3.17 Diagrama do sistema de tubulao.................................................................... 59 Figura 3.18 Detalhes da tubulao exterior ao cubculo...................................................... 62 Figura 3.19 Parmetros caractersticos conseguidos com a mxima vazo QM................... 65 Figura 3.20 Reservatrio e parte da tubulao externa........................................................ 66 Figura 3.21 Curvas de performance hidrulica da bomba centrfuga modelo CP-4R [21].................................................................................................................... 68 Figura 3.22 Esquema de interligao dos dispositivos do sistema de aquisio de dados................................................................................................................. 69 Figura 3.23 Painel frontal em (a) e driver RS 485/ RS 232 em (b) [31].............................. 71 Figura 3.24 Janela aberta na tela do PC com uma guia de leitura online [31]..................... 72 Figura 3.25 Quadro com o datalogger, atenuador e bateria de back up............................... 73 Figura 3.26 Diagrama de interligao entre datalogger e sensores...................................... 74 Figura 3.27 Grfico gerado pelo PC208 das variveis de processo [33].............................. 75 Figura 3.28 Anemmetro de conchas modelo Met-One 014 [34]........................................ 76 Figura 3.29 Em (a) micro-motor, e componentes eletrnicos em (b) componentes do acoplamento...................................................................................................... 77 Figura 3.30 Circuito eltrico do tacogerador........................................................................ 78 Figura 3.31 Transdutor de presso de vcuo [35]................................................................ 79 Figura 3.32 Medidor de vazo 2537 [36]............................................................................. 80 Figura 3.33 Sistema elico-eltrico de bombeamento da gua de um poo......................... 85 Figura 4.1 Variao do valor de k ao longo dos meses de 2010........................................ 94 Figura 4.2 Relao C/V ao longo de 2010.......................................................................... 95 Figura 4.3 Distribuio de Weibull para diferentes valores de K em funo da velocidade do vento.......................................................................................... Figura 4.4 Histograma e curva de Weibull em funo da velocidade do vento para 2010................................................................................................................... 97 96

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Figura 4.5 Dia tpico para os meses de janeiro a dezembro de 2010................................. 98 Figura 4.6 Curva de potncia disponvel no vento e potncia de Betz............................... 100 Figura 4.7 Curvas de potncia do motor Pm e do aerogerador Pg em funo da velocidade de vento.......................................................................................... 102 Figura 4.8 Produo energtica mensal do GRW 246 em funo da velocidade mdia [23].................................................................................................................... 103 Figura 4.9 Comportamento energtico do aerogerador em funo da frequncia de distribuio da velocidade mdia do vento....................................................... 103 Figura 4.10 Estimativa da energia mensal gerada e utilizada mensalmente em 2010.......... 105 Figura 4.11 Curva da potncia do motor em funo da velocidade mdia do vento a partir de dados................................................................................................... 107 Figura 4.12 Curva da potncia motor em funo da velocidade mdia do vento gerada a partir dos dados................................................................................................. 108 Figura 4.13 Curva de rotao do motor em funo da velocidade mdia do vento a partir de dados............................................................................................................. 108 Figura 4.14 Curva de rotao do motor em funo da velocidade mdia do vento gerada a partir dos dados.............................................................................................. 108 Figura 4.15 Curva da vazo da bomba em funo da velocidade mdia do vento a partir de dados............................................................................................................. 109 Figura 4.16 Curva da vazo da bomba em funo da velocidade mdia do vento gerada a partir dos dados................................................................................................. 109 Figura 4.17 Curvas das variveis no-eltricas em funo da velocidade do vento.......... 110 Figura 4.18 Curvas de rendimento do sistema em funo da velocidade do vento local..... 113 Figura 4.19 Volume de gua bombeado em funo da velocidade mdia do vento............ 114 Figura 4.20 Volume de gua bombeado e a energia produzida funo da velocidade mdia do vento (janeiro de 2010)..................................................................... 115 Figura 4.21 Volume de gua bombeado e energia produzida em funo da velocidade mdia do vento (novembro de 2010)................................................................ 117 Figura 4.22 Modelo Hidrulico do Sistema de Bombeamento de gua.............................. 120 Figura 4.23 Curva da perda de carga para o tubo de 25 DN em funo da vazo [11]........ 121 Figura 4.24 Esquema do sistema de tubulao utilizado para clculo das perdas................ 122 Figura 4.25 Pontos de operao quando do uso da vlvula de p de 25 DN........................ 126 Figura 4.26 Pontos de operao quando do uso da vlvula de p de 32 DN........................ 127

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Figura 4.27 Curvas da altura manomtrica em funo da vazo e da rotao para VP 25 DN..................................................................................................................... 128 Figura 4.28 Curvas da altura manomtrica em funo da vazo e da rotao para VP 32 DN..................................................................................................................... 130 Figura 4.29 Performance da bomba centrifuga modelo CP-4R [21].................................... 131 Figura 4.30 Potncia absorvida pelo motor e potncia hidrulica de sada da bomba p/ DT=8,20 m........................................................................................................ 131 Figura 4.31 Vazo e rendimento em funo da frequncia, para altura geomtrica de 8,20m................................................................................................................. 133 Figura 4.32 Curvas do NPSHb e NPSHd em funo da vazo............................................ 136

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LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Caractersticas de Bombas Usadas em Sistema de Bombeamento Fotovoltaico [13]............................................................................................... 17 Tabela 2.2 Modelos de bombas vibratrias alimentadas a 24 Vcc [13............................... 19 Tabela 3.1 Caractersticas Tcnicas do Aerogerador, GERAR 246 [23]........................... 49 Tabela 3.2 Caractersticas Eletromecnicas do Motor [25]................................................ 52 Tabela 3.3 Tubos e conexes hidrulicas usados na implementao da tubulao............ 64 Tabela 3.4 Dados do conjunto motor-bomba [21].............................................................. 68 Tabela 4.1 Planos de operao adotados para averiguao de dados................................. 89 Tabela 4.2 Classificao da superfcie quanto rugosidade.............................................. 93 Tabela 4.3 Dados de vento correspondente a cada ms em 2010....................................... 94 Tabela 4.4 Dados de vento para o perodo de 2010............................................................ 99 Tabela 4.5 Estimativa de contribuio energtica do gerador GRW 246 para carga nominal em 2010.............................................................................................. 106 Tabela 4.6 Estimativa de contribuio energtica do gerador GRW 246 para o motor da bomba em 2010................................................................................................. 106 Tabela 4.7 Fator de capacidade do gerador GRW 246 para carga nominal e o motor da bomba................................................................................................................ 107 Tabela 4.8 Variveis de processo em sinal de tenso......................................................... 112 Tabela 4.9 Variveis de processo em unidades de cada varivel....................................... 113 Tabela 4.10 Energia gerada e a quantidade de gua bombeada no perodo......................... 117 Tabela 4.11 Energia gerada e a quantidade de gua bombeada no perodo......................... 119 Tabela 4.12 Desnveis totais em funo da configurao das vlvulas para vrios desnveis de suco........................................................................................... 126 Tabela 4.13 Comportamento do sistema bombeamento em funo da freqncia.............. 135 Tabela 4.14 Condies ambientais....................................................................................... 136 Tabela 4.15 Condies operacionais da bomba.................................................................... 137

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LISTA DE SMBOLOS

AT c Cp CPBz ENg EQg EVg fw f fr Hg HD HE h I k L/dia L ns n Pm Ph PBz Pg Q QR QM r S va vc

rea varrida pela turbina parmetro de escala coeficiente de desempenho Coeficiente de potncia de Betz sinal eltrico de rotao sinal eltrico de vazo sinal eltrico de vcuo frequncia de Weibull de distribuio da velocidade do vento frequncia frequncia de distribuio de classe da velocidade do vento altura geomtrica altura dinmica altura esttica altura corrente parmetro de forma litro por dia indutncia Velocidade especfica velocidade rotacional potncia eltrica absorvida no motor potncia hidrulica Potncia disponvel no eixo da turbina potncia eltrica de sada do aerogerador vazo vazo de reposio de gua vazo mxima raio turbulncia velocidade mdia anual Velocidade de partida da turbina

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vi vm vme vr Vcc Vca Vol. Zo % 3~ h

Velocidade instantnea do vento Velocidade mdia do vento Velocidade do vento que produz a mxima energia velocidade nominal da turbina tenso em corrente contnua tenso em corrente alternada volume comprimento de rugosidade percentagem trifsico peso especfico do lquido rendimento da bomba densidade do ar velocidade angular

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AME AMS AMT AE BAT BC Cc C CEP CF CNPq CONV. F/V D DE DHT DJ DN DS DT FP FS FV G J LCD LEA NPSH NPSHh NPSHd P PA

altura manomtrica de elevao altura manomtrica de suco altura manomtrica total analisador de energia eltrica bateria bomba centrfuga Controlador de carga capacitor comprimento equivalente dos tubos de elevao em paralelo conversor de frequncia Conselho Nacional de Pesquisa conversor de frequncia para tenso diodo desnvel de elevao Distoro harmnica total Disjuntor termomagntico dimetro nominal desnvel de suco desnvel total fator de potncia fator de servio fotovoltaico gerador juno display de cristal lquido Laboratrio de Energias Alternativas altura de presso de vaporizao do lquido altura de presso de vaporizao do lquido da bomba altura de presso de vaporizao do lquido disponvel na instalao poo perda por atrito

xxi

PC PCS PCE PVC R RD RL RT Tr TE TG TP TR TS TUG TW UFC VE VP VR VS W

computador pessoal perda de carga na tubulao de suco perda de carga na tubulao de elevao cloreto de polivinila reservatrio de gua rede de distribuio de eletricidade rel retificador Vac/Vcc transformador tubulao de elevao tacogerador trimpot tubulao de recalque tubulao de suco tomada de uso geral turbina elica Universidade Federal do Cear vlvula de elevao vlvula de p vlvula de recalque vlvula de suco sinal de velocidade do vento

CAPITULO 1 CONTEXTO ATUAL DA ENERGIA ELICA Uma das atuais preocupaes do mundo a questo relativa energia, pois esta fundamental ao ser humano. A energia utilizada para atender suas necessidades bsicas como nutrio, locomoo e conservao da vida. A procura por melhores condies de vida remota pr-histria, e para satisfazer suas necessidades o ser humano dependia diretamente do seu esforo fsico. Atualmente, com o advento das mquinas e de variados processos de manipulao da energia, esta relao de dependncia foi bastante reduzida, principalmente em pases desenvolvidos. proporo que a populao cresce, necessrio ampliar o processo de produo para transformar matria-prima em produtos finalizados de modo a atender demanda e para isso preciso cada vez mais energia [1]. Muitas foram as formas de transformar a energia criadas pelo homem, diversas tecnologias energticas foram consolidadas para serem utilizadas em beneficio do ser humano. Cada ser humano s percebe a importncia da energia na sua vida medida de sua necessidade. O indivduo que habita em lugares isolados, normalmente solicita energia para iluminao, alimentar um rdio, uma lanterna e um pequeno motor para processar matriaprima. Seu modo de viver est associado ao isolamento e sua expectativa em termos de quantidade de energia pequena, exigindo produo diminuta. Por outro lado, o individuo que habita em grandes cidades e que detm elevado poder de aquisio requer grande quantidade de energia, associado a uma grande quantidade de servios e os mais variados aparelhos destinados a proporcionar conforto. Apesar das necessidades bastante diferentes no que tange a quantidade, ambos so dependentes da energia. Entre as fontes de energia utilizadas para atender s crescentes demandas de eletricidade a nvel mundial, merece destaque o uso da energia elica. Esta fonte de energia se destaca pelo aspecto da sustentabilidade apresentando, porm, a desvantagem de ser uma fonte intermitente. O vento uma fonte de energia limpa, livre e inesgotvel e apresenta boa aceitao social. Serviu a humanidade por muitos sculos propulsando navios e acionando cataventos para moer gros e bombear gua. Porm, com o advento da mquina a vapor e dos motores de combusto interna, o interesse em energia elica foi esquecido. Os altos custos de capital e por ser de modalidade complementar devido natureza aleatria do vento colocaram a energia elica em uma desvantagem econmica [2].

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A procura pela reduo da dependncia dos combustveis fsseis para produo de energia eltrica cada vez mais intensa no mundo atual, em sintonia com polticas internacionais de meio ambiente a exemplo do MDL- Mecanismo de Desenvolvimento Limpo, no campo do Protocolo de Kyoto. A utilizao da fora do vento para produo de energia eltrica obteve elevado impulso a partir da dcada de 1990, por meio de diversos programas implementados em alguns pases que incentivaram investimentos e pesquisas tendo como conseqncia um significativo desenvolvimento tecnolgico de processos e equipamentos [3]. O relatrio da Conferencia Mundial de Energia Elica, indicou que a Amrica Latina alcanou uma capacidade instalada total de 1.406 MW em 2009. Tal desenvolvimento, depois de vrios anos de estagnao, foi devido principalmente aos dois maiores mercados de energia elica na America Latina, o Brasil que experimentou aumento de 78,5%, com uma capacidade instalada de 600 MW, e o Mxico, que apesar de crescer 372,9% contribuiu apenas com 402 MW [4]. Esses 600 MW de capacidade instalada no Brasil em 2009 esto implementados com turbinas elicas de mdio e grande porte conectadas s redes eltricas. A energia elica pode contribuir para resolver o dilema do uso das guas do rio So Francisco no Nordeste brasileiro (irrigao ou gerar eletricidade). notria a intensificao cada vez maior do uso da gua para irrigao em grandes projetos agronmicos s margens do rio que esto em fase de implementao, inclusive a transposio das guas para outras regies. Percebe-se que as maiores velocidades de vento no nordeste do Brasil ocorrem justamente quando o fluxo de gua do Rio So Francisco mnimo. Logo, as centrais elicas instaladas podem gerar energia eltrica reduzindo o volume de gua do rio So Francisco para este fim [5]. A figura 1.1 compara o comportamento do fluxo de gua no Rio So Francisco e o regime de ventos tpicos no interior e litoral no decorrer de um ano para o Nordeste do Brasil.

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Figura 1.1 Comparao entre o fluxo de gua do Rio So Francisco e o regime de vento no Nordeste do Brasil [5].

Do ponto de vista social, as usinas elicas evitam desapropriaes de reas e remanejamento de populao verificada na construo de grandes usinas hidreltricas, e ainda h compatibilidade entre produo de eletricidade a partir do vento e o uso da terra para pecuria e agricultura [3]. Ainda h uma parcela da populao localizada na zona rural nos pases em desenvolvimento que no atendida com eletricidade, onde no vivel do ponto de visto financeiro levar rede eltrica. A gerao elio-eltrica uma forte concorrente a contribuir para a mudana desse cenrio, uma vez que uma energia limpa e renovvel, de baixo impacto ambiental internacionalmente madura e com custo decrescente. Os primeiros anemmetros para medio de potencial elico no Brasil foram instalados no Cear e em Fernando de Noronha/Pernambuco apenas no incio dos anos 90. Os bons resultados obtidos com aquelas medies favoreceram a determinao precisa do potencial elico daqueles locais e a instalao de turbinas elicas. Vrios estados brasileiros seguiram os passos do Cear e Pernambuco e iniciaram programas de levantamento de dados de vento. As anlises dos dados de vento de vrios locais no Nordeste confirmaram as caractersticas existentes na regio: velocidades mdias de vento altas, pouca variao nas direes do vento e pouca turbulncia durante todo o ano. Paralelamente ao problema da escassez de gua, as regies semi-ridas, em geral, possuem grandes potenciais energticos para fontes renovveis de energia, tais como solar e elica. A extrao de gua do subsolo uma alternativa que pode ser viabilizada por meio do uso de bombas alimentadas por eletricidade, que uma modalidade que pode ser obtida a

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partir da energia solar ou elica. Uma vez que o Nordeste dispe de um bom potencial elico e boa quantidade de gua subterrnea, tais potenciais incentivam o uso da energia elica para extrao de gua do subsolo. Deste modo, os sistemas de bombeamento de gua implementados com pequenos aerogeradores para fornecer eletricidade a conjuntos motorbomba so uma alternativa vivel para contribuir para potencializar a extrao de gua subterrnea. A tecnologia de bombeamento de gua usando a energia elica no nova, na realidade, as mquinas acionadas pelo vento so usadas desde a Idade Antiga, e podem ser consideradas como um dos primeiros avanos tecnolgicos da humanidade. O primeiro registro histrico do uso da fora motriz do vento para bombeamento de gua e moagem de gros atravs de cata-ventos remota Prsia (atual Iraque/Ir), em meados do ano 200 a.C. Mquinas similares tm sido utilizadas na Europa h muitos sculos. Os cata-ventos de mltiplas ps para bombeamento dgua so muito conhecidos e usados h muitas dcadas, inclusive no interior do Brasil. Os aerogeradores de pequeno porte para gerao de energia eltrica (sistemas isolados) tambm j vem sendo usados h dcadas [6]. O Brasil j dispe comercialmente da tecnologia de aerogeradores e existem diversas empresas fornecedoras de mquinas de pequeno porte para aplicaes em sistemas autnomos isolados. A depender da aplicao, geralmente para empregos em larga escala com mquinas de grande porte, necessita-se de uma velocidade mdia de vento de no mnimo 6,5 m/s a 7,5 m/s, para que os sistemas sejam economicamente viveis. Ao passo que em pequenos sistemas isolados, assume-se que uma velocidade mdia de 3,5 m/s a 4,5 m/s o mnimo aceitvel para que a viabilidade tcnica e financeira seja atendida [6]. Avalia-se que a vida til de aerogeradores seja de 15 anos. Os dispositivos eletrnicos (inversor, controlador de carga) superam 10 anos. No caso de sistemas elicos isolados com armazenamento de energia em baterias, estas so consideradas o ponto crtico do sistema [6]. No mbito mundial, a maior parte dos aerogeradores de pequeno porte utiliza armazenadores de energia, para garantir a qualidade e a continuidade do fornecimento da energia eltrica. No entanto, por utilizarem baterias, essas unidades apresentam um custo de operao e manuteno relativamente alto, alm de diminurem a vida til global do sistema, considerando que os armazenadores se inutilizam em aproximadamente cinco anos. Por outro lado, aerogeradores que no utilizam baterias armazenam energia na forma hidrulica por meio de reservatrio elevado. Normalmente, o reservatrio de polietileno, bem mais em conta e de maior durabilidade; deste modo o custo de aquisio, operao e manuteno diminui e a vida til global aumenta. Para aerogeradores destinados ao bombeamento de gua,

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adequado utilizar conjuntos motor-bomba de corrente alternada (ca) por dispensar o uso de acessrios que encarecem ainda mais os custos de operao, manuteno e aquisio.

1.1 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo Geral Avaliar do ponto de vista tcnico a viabilidade de uma unidade de bombeamento de gua acionada por um aerogerador de pequeno porte.

1.1.2 Objetivos Especficos a) Estudar o acionamento de uma unidade de bombeamento por aerogerador de pequeno porte; b) Analisar o funcionamento da unidade instalada em diferentes condies de operao; c) Avaliar a eficincia operacional e energtica do sistema de bombeamento; d) Analisar a produo de gua bombeada.

1.2 METODOLOGIA O estudo em questo contempla um trabalho de interao entre a tecnologia de bombeamento e a tecnologia de aerogeradores, analisando a eficincia do sistema como um todo. O presente estudo envolve conceitos em vrias esferas da engenharia, como aspectos tcnicos de engenharia eltrica e hidrulica. Tal pesquisa foi conduzida, primeiramente, mediante investigao do estado da arte mundial sobre tecnologias de bombeamento de gua usando a energia elica. Em seguida, realizou-se em campo uma validao experimental do sistema, instalando-se o sistema de bombeamento com a possibilidade de escolha da configurao em que o sistema de bombeamento pode ser alimentado pelo aerogerador ou pela rede. Finalmente, foram efetuadas coletas de dados atravs de sensores e sistemas de aquisio, para realizao das anlises em diversas configuraes.

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1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO O presente estudo foi organizado em cinco captulos. O primeiro deles, a introduo, contextualiza os principais aspectos gerais, motivao e objetivos da dissertao. O segundo captulo desenvolve uma reviso e o estado da arte das principais tecnologias de bombeamento, bem como das possveis fontes utilizadas para alimentao, dando destaque ao sistema de bombeamento alimentado por energia elica. O terceiro captulo descreve a respeito do sistema de bombeamento desenvolvido e instalado em campo, detalhando cada componente do sistema. O quarto captulo aborda a validao experimental do estudo, apresentando os resultados obtidos e as respectivas anlises. O ltimo captulo finaliza com a concluso geral, as principais dificuldades encontradas e superadas na implementao do sistema de bombeamento em campo e as perspectivas de trabalhos futuros.

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CAPITULO 2 SISTEMAS DE BOMBEAMENTO DE GUA ACIONADOS POR FONTES RENOVVEIS DE ENERGIA Caracterizada por perodos de secas recorrentes, a regio Nordeste considerada uma das mais vulnerveis em termos scio-econmico e ambiental do Brasil. Os relatrios mais atuais do Painel Intergovernamental sobre Mudanas Climticas (IPCC) apontam que as secas e enchentes na regio esto propensas a intensificar-se, episdio que vem sendo registrado e tem chamado a ateno de pesquisadores e formuladores de polticas pblicas. O governo brasileiro investe na regio e conseguiu reduzir os efeitos e impactos da seca por meio da construo de centenas de audes. Essas aes ampliaram os recursos hdricos disponveis, porm, o impacto na qualidade de vida das pessoas ficou aqum do esperado e do necessrio. A base da economia na regio permanece a agropecuria extensiva, distribuda em vastas propriedades de terra, principal causa do desmatamento, e a agricultura de subsistncia, repartidas em sistemas produtivos ainda muito ineficientes. O bioma da regio, a caatinga, vem sendo reduzido, tornando as conseqncias ambientais das secas ainda mais severas [7]. A concatenao de recursos tecnolgicos, humanos, financeiros e de polticas pblicas com o propsito de incubar novas prticas de convivncia com a seca e adaptao mudana climtica pode ser implementada pelo uso de energias renovveis no que tange respeito ao bombeamento de gua aproveitando melhor a infra-estrutura hdrica j disponvel em audes, barreiros e poos. Neste contexto, o uso das energias renovveis pode contribuir como recurso tecnolgico para garantir a segurana alimentar e a gerao de renda baseada na pequena e mdia propriedade agrcola, produzindo sem destruir o ecossistema local.

2.1 Tecnologias de Bombeamento Embora a agricultura esteja em prtica h mais de 10.000 anos, os primeiros registros que se tem de irrigao so devidos aos egpcios. Inicialmente transportavam a gua em potes, mas cerca de 1.500 a.C. apareceu a primeira mquina de elevao de gua, a picota, constituda por duas varas de madeira, um deles na posio vertical. A outra, perpendicular a primeira, possui numa extremidade um peso e no outro um recipiente para a gua. Abaixandose o recipiente ao poo, o peso na outra extremidade da vara ajuda a iar o recipiente com gua. Posteriormente apareceu o sarilho usado para elevar um balde, mquina simples em que um cabo tracionado por seu enrolamento em um cilindro, acionado por uma manivela

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de raio maior; em seguida veio a nora, engenho ou aparelho para tirar gua de poos ou cisternas que constitudo por uma roda com pequenos reservatrios ou alcatruzes e por fim a roda persa [8]. Todas estas mquinas eram movidas por trabalho humano ou animal. O sarilho empregado ainda hoje no abastecimento de gua. Um dos tipos mais antigos de bomba foi o Parafuso de Arquimedes, empregado por Senaquerib, Rei da Assria, para a irrigao dos Jardins Suspensos da Babilnia e Nnive, no sculo VII a.C. e descritas depois em maior detalhe por Arquimedes no sculo III a.C [9]. As bombas alternativas a pisto ou mbolo j eram do conhecimento dos gregos e dos romanos. Ctesibius, por volta de 250 a.C., criou uma bomba alternativa movida por uma roda dgua, montada por seu discpulo Hero de Alexandria [8]. As bombas cinticas, apesar de resultar de idias muito antigas, passaram a ser construdas para uso real no incio do sculo XIX. O inventor francs Denis Papin construiu uma "bomba de ar" no fim do sculo XVII, mas precisava de um acionador adequado. O aparelho foi denominado, fole de Hesse, uma homenagem ao patrono de Papin, o prncipe de Hesse. Os sistemas de bombeamento usam vrios tipos de bomba e na irrigao so fundamentais para transportar a gua da fonte at a plantao. Bomba uma mquina hidrulica que recebe energia mecnica atravs da fora motriz de um motor, e converte-a em energia hidrulica que por sua vez transmite fora ao fludo o qual transportado de um ponto a outro.

2.1.1 Classificao das Bombas As bombas possuem complexos mecanismos e so usadas nas mais diversas aplicaes e por isso so produzidas em vrios modelos e tamanhos. No entanto, o conjunto de todos os modelos dividido e classificado em duas grandes categorias fundamentais, bombas volumtricas e hidrodinmicas [10]. As bombas podem ser classificadas ainda pela sua aplicao ou pelo modo como a energia fornecida ao fludo. Normalmente, existe uma relao entre o emprego e a caracterstica da bomba que, por sua vez, est fortemente relacionada ao modo como a energia transferida a ao fluido. A forma pela qual efetuada a transformao do trabalho em energia hidrulica e o recurso para ced-la ao lquido ampliando a presso e/ou a velocidade permitem que elas se classifiquem em bombas de volumtricas e hidrodinmicas [11]. Dentre as classificaes de bombas de deslocamento positivo e de turbo-bombas se pode enumerar

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algumas das mais importantes subdivises destas bombas, como mostra o diagrama de blocos da figura 2.1.

Figura 2.1 Diagrama de blocos dos tipos de bombas hidrulicas

Tanto as bombas volumtricas quanto as hidrodinmicas podem implementar diversos sistemas de bombeamento. Normalmente, um sistema de bombeamento denominado de acordo com a modalidade de energia que alimenta o motor de acionamento da bomba. As bombas foram acionadas, na antiguidade, por rodas d'gua, cata-ventos e pela fora muscular, de homens ou de animais. Embora ainda haja muitas bombas acionadas manualmente, a grande maioria das bombas modernas acionada por motores eltricos. O motor eltrico mquina destinada a transformar energia eltrica em mecnica.sendo o mais usado de todos os tipos, pois combina as vantagens da energia eltrica de baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando, construo simples, custos de aquisio e manuteno reduzido, grande versatilidade de adaptao s cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. Na atualidade, a grande maioria das bombas acionada por motores eltricos em corrente alternada

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Em menor quantidade, as bombas so acionadas tambm por motores de combusto interna e por turbinas a vapor ou a gs e motores hidrulicos.. Seguem-se as bombas acionadas a motores de combusto interna, as bombas acionadas diretamente por ar comprimido e as acionadas a cata-ventos. Os motores das bombas podem ser acionados por eletricidade advinda do sistema de distribuio ou de sistema fotovoltaico, elico-eltrico, etc. em localidades remotas. Sistemas de bombeamento que empregam bombas acionadas eletricamente representam uma das solues mais eficientes para lugares onde h acesso eletricidade. O conjunto motor-bomba simples de operar e eficaz, no necessitando de caixa de velocidades e ainda silencioso. As bombas acionadas eletricamente apresentam como vantagens, a opo de ser o dispositivo do sistema de bombeamento menos oneroso com relao aos demais tipos, apresentam manuteno reduzida, o tipo de bombeamento mais comum, fcil de achar peas de reposio, usa motores eltricos j consolidados e de alta eficincia. A principal desvantagem das bombas acionadas eletricamente que para manter o baixo custo de instalao do sistema de bombeamento, o conjunto motor-bomba deve ser usado em lugares com acesso a rede eltrica, outra desvantagem a vida til em torno de 4 a 5 anos. O conjunto motor-bomba pode ser denominado de acordo com a modalidade energtica usada pela unidade motora de acionamento abrangendo as duas grandes categorias de bombas volumtricas e hidrodinmicas. Nas sees seguintes sero discutidas a respeito de alguns tipos bombas, que empregam o princpio de funcionamento de uma das duas categorias de bombas mencionadas.

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2.2- As Bombas Volumtricas Tambm denominadas de hidrostticas ou de deslocamento positivo so bombas em que o fluido adquire movimento e presso em seu interior da bomba sem experimentar nenhum aumento significativo da velocidade, j que o fluido simplesmente aspirado e recalcado. Uma vez que o fluido administrado no depende da presso, tal fato torna esse tipo de bomba adequada transmisso de fora hidrulica [10]. As bombas volumtricas so classificadas de acordo com o tipo de rgo mecnico que efetua o deslocamento do lquido e se divide em dois grandes grupos: as bombas Alternativas e as bombas Rotativas. As Alternativas so bombas de movimento alternativo que usam como elemento de impulso do diafragma, ou pisto inserido num cilindro, com vlvulas de suco e descarga integradas na bomba. As Rotativas so bombas de denominao genrica por compreender uma variedade de bombas volumtricas, em que o deslocamento do lquido provocado pela rotao do rgo mecnico, que pode ser: engrenagens, paletas, lbulos, parafusos, ou tubo flexvel. Bombas vibratrias so exemplos bombas alternativas em que o elemento que fornece a energia ao lquido uma membrana (diafragma) acionada por uma haste com movimento alternativo. O movimento da membrana, em um sentido, diminui a presso da cmara fazendo com que seja admitido um volume de lquido. Ao ser invertido o sentido do movimento da haste, esse volume descarregado na linha de recalque. As bombas de diafragma como elemento de impulso ainda se subdividem em: vibratrias e cavidade progressiva, esta ltima bastante usada em sistemas fotovoltaicos. Um tipo de bomba vibratria muito usada a submersa, tambm denominada de bomba sapo pelo fato de funcionarem exclusivamente dentro da gua. A figura 2.2 mostra a estrutura interna de uma bomba de diafragma do tipo submersa.

Figura 2.2 Estrutura interna da bomba de diafragma submersa [12]

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As bombas alternativas que usam arranjo de diafragma, com vlvulas de suco e descarga integradas na bomba, so uma aplicao moderna de bombas de deslocamento positivo denominadas de bombas de diafragma. Estas bombas podem ser movidas diretamente a ar comprimido, a vapor ou atravs de um mecanismo biela-manivela, que pode ser acionado por motor eltrico, ou motor de combusto interna, atravs de polias e correias, engrenagens ou mesmo com acionamento direto. Estas bombas funcionam pela vibrao do diafragma resultante do rpido movimento alternante linear fornecido por um motor eletromagntico no rotativo alimentado em corrente alternada; normalmente, o diafragma confeccionado em borracha de boa resistncia mecnica presso.

2.2.1 Sistemas de bombeamento eltrico com bomba de diafragma De construo simples, quando comparada com os demais tipos em sua faixa de potncia, tem boa performance e o mais baixo custo de aquisio. Esta bomba empregada no bombeamento de gua, livre de slidos em suspenso. O mercado disponibiliza bombas de diafragma do tipo submersas com potncias desde 250 at 450 W. Este um dos sistemas de bombeamento eltrico mais simples e menos oneroso. de fcil instalao e requer a aquisio de poucos acessrios para funcionamento. Neste sistema a bomba deve ser localizada no mximo a 20 m de profundidade em termos de submerso com relao ao nvel esttico. Estas bombas podem operar a uma altura vertical que varia de 5 a 60 m; altura que compreende a distncia desde a entrada de gua da bomba at o ponto mais alto da tubulao que vai para o reservatrio A instalao da bomba de diafragma do tipo submersa requer apenas mangueira ou (depende da medida da sada da bomba) de polegada para conduo da gua de sada, e esta por sua vez assume tambm a sustentao da bomba. Para movimentar, colocar ou retirar a bomba do poo deve-se usar a prpria mangueira ou uma corda como segurana adicional que pode ser afixada no olhal contguo sada da bomba. Esta corda no deve ser condutora de eletricidade, comum usar uma de nylon de 6 mm. Este tipo de bomba, devido a sua natureza vibratria, para que funcione adequadamente deve ter espao suficientemente para que possa vibrar livremente. Por isso, devem ser instaladas centralizadas entre s laterais do poo ou cisterna, sendo necessrio manter uma distncia mnima do fundo do poo que varia de 0,4 a 1 m, a depender da bomba.

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Um exemplo de sistema de bombeamento eltrico com bomba de diafragma do tipo submersa tem seu diagrama apresentado na figura 2.3.

Figura 2.3 Sistema implementado com bomba de diafragma do tipo submersa, adaptado de [12]

Para obter o valor da vazo desta bomba preciso saber a altura manomtrica total da instalao. Assim, deve-se verificar qual a altura vertical e o comprimento total da tubulao, ou seja, comprimento da mangueira, que compreende o percurso da entrada de gua da bomba at reservatrio. A altura manomtrica total depende da altura vertical e do comprimento total da tubulao e pode ser obtida por meio da figura 2.4.

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Figura 2.4 Altura manomtrica total [12]

Uma vez conhecendo a medida da altura vertical e do comprimento da tubulao, encontra-se o valor da altura manomtrica total por meio da tabela mostrada pela figura 2.4. Por exemplo, sendo a altura vertical da instalao 25 m e o comprimento total da tubulao de 200 m, entra-se com estes valores na tabela donde se encontra o valor da altura manomtrica total igual a 40 mca. Uma vez dispondo deste valor de altura possvel obter a vazo de gua por meio do grfico de desempenho hidrulica da bomba, apresentado pela figura 2.5.

Figura 2.5 Grfico de desempenho [12]

A bomba citada no exemplo est submetida a uma altura manomtrica de 40 mca, com base na curva de desempenho apresentada pela figura 2.5 a vazo de 900 L/h. Para proteo da instalao eltrica e interrupo do funcionamento previsto disjuntor localizado no quadro de comando. Uma bia providencia o desligamento automtico da bomba quando o volume de gua no reservatrio atinge o nvel mximo e religa a bomba quando o nvel alcanar o limite mnimo.

2.2.2 Sistema de Bombeamento Fotovoltaico Implementado com Bomba Volumtrica Bombas fotovoltaicas (FV) utilizam energia solar para bombear gua de superfcie e de poos. So economicamente competitivas com as bombas a diesel somente para bombas de baixa potncia. Apesar de serem mais caras que as bombas convencionais a diesel, so classificadas como bombas mais limpas que contribuem para frear o aquecimento global. Um

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sistema de bombeamento FV tpico consiste de gerador fotovoltaico, sistema de acondicionamento de potncia, conjunto motor-bomba e equipamentos complementares. O comportamento do mdulo FV em diversas condies de radiao e de carga pode ser verificado mediante sua curva caracterstica (I x V) que, tambm sob efeito da temperatura, influencia a potncia de sada do mdulo. Seu dimensionamento deve levar em consideraes fatores como: caractersticas da carga, condies de irradiao local, local de instalao e demanda real da carga. Em seguida, preciso determinar a potncia que cada mdulo vai produzir e, assim, definir a quantidade necessria para constituir o painel. Levando em conta tais fatores, intenta-se reduzir o mximo possvel a potncia do gerador FV, sem comprometer o desempenho timo do sistema de bombeamento. Existem duas formas de instalao da bomba: - Na forma direta, o painel FV fornece energia diretamente bomba, permitindo o seu funcionamento ininterrupto enquanto haja insolao, figura 2.6 (a). Neste sistema o custo de implantao menor e simples, pois o painel fornece a energia necessria diretamente bomba, sem adio de baterias ou controlador de carga, porm a capacidade de bombeamento estar sujeita s variaes de insolao [13]. - Na forma indireta so adicionadas ao sistema FV baterias e um controlador de carga, para armazenar energia durante o dia e para controlar a necessidade de bombeamento, figura 2.6 (b). No sistema indireto possvel usar a carga das baterias para outros fins energticos e para bombear gua noite e em dias de chuva [13].

Figura 2.6 Sistemas de bombeamento fotovoltaico, adaptado de [13]

A altura de recalque para bombas de diafragma de superfcie e submersvel obtida conforme [14] e dada pela expresso:

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15 Sendo: h = altura manomtrica total; em mca; A = Medida da profundidade do poo, em metros; B = Medida da distncia do poo at a caixa dgua; C = Medida do desnvel entre o poo e o p da caixa d gua, em metros e D = Altura do reservatrio ou caixa d gua.

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Um modo prtico para calcular a altura manomtrica total de forma simplificada em dois passos : - somar o desnvel total (em metros) entre a captao de gua e o topo da caixa de gua. - depois, deve-se adicionar o comprimento total da tubulao na razo de 01 metro de altura manomtrica para cada 10 metros de tubulao [15]. Os sistemas FV tambm podem ser implementados por dois tipos de bombas: as bombas de superfcie, que podem bombear gua de um flutuador em suspenso ou diretamente de uma base, sempre que o desnvel de suco entre o nvel da gua e a entrada da bomba seja de poucos metros ou com as bombas submersas. Normalmente, sistemas de bombeamento fotovoltaico so implementados atravs de bomba do tipo cavidade progressiva. A bomba do tipo cavidade progressiva acionada por meio de motor rotativo que, atravs, de um sistema mecnico, converte movimento angular do eixo do motor em movimento axial alternativo vibratrio o qual transmitido ao diafragma da bomba na forma de deslocamento positivo. Este tipo de bomba compacta, leve, podem ser afixadas em paredes ou suporte simples e ainda podem ser iadas por meio de cabo. Podem ser alimentadas eletricamente por meio de painis fotovoltaicos, geradores elicos, ou diretamente por baterias [13]. O modelo 8000 fabricado por [13] uma bomba de superfcie do tipo cavidade progressiva, capaz de bombear 285 L/h de gua a uma altura de 42 m com poder de succionar at 3 m de profundidade quando alimentadas em 12 Vcc

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O fabricante [13] tambm produz o modelo 9300, esta uma bomba submersa do tipo cavidade progressiva capaz de bombear 310 L/h a uma altura de 70 m em 24 Vcc, a figura 2.7 mostra o diagrama de montagem em detalhes do referido modelo.

Figura 2.7 Diagrama de montagem de uma bomba de cavidade progressiva submersa [13]

A tabela 2.1 apresenta os dados caractersticos em relao altura manomtrica e vazo da bomba, alm da potncia solicitada dos painis fotovoltaicos.

Tabela 2.1 Caractersticas de Bombas Usadas em Sistemas de Bombeamento Fotovoltaico Submersa 24 Vcc (Modelo 9300) Altura Potncia dos Vazo Manomtrica painis (litros/hora) (mca) (Wp) 6 445 58 12 430 65 18 415 78 24 400 89 30 390 99 36 380 104 42 375 115 48 370 123 54 350 135 61 345 141 70 310 155 Fonte: [13] Superfcie 12 Vcc (Modelo 8000) Altura Potncia dos Vazo Manomtrica painis (litros/hora) (mca) (Wp) 0 410 36 7 380 46 14 350 50 21 340 65 28 320 70 35 305 80 42 285 90 -

Normalmente, a bomba do tipo cavidade progressiva emprega motor cc de im permanente para seu acionamento, o qual onera o custo de manuteno devido ao desgaste das escovas e ao elevado custo para reposio de peas. No entanto, por serem alimentadas em

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tenso de corrente contnua, podem ser conectadas diretamente aos painis fotovoltaicos. Isto representa sua maior vantagem em relao s demais bombas, apesar de que em alguns casos exigida a insero de um controlador no sistema de bombeamento. A bomba do tipo cavidade progressiva tem muito bom desempenho hidrulico relacionados altura manomtrica, vazo e potncia eltrica absorvida quando comparada com as outras na mesma faixa de potncia de entrada.

2.2.3 Bomba vibratria como alternativa bomba de cavidade progressiva Os sistemas de bombeamento solar normalmente empregam bombas de cavidade progressiva do tipo submersa para extrao de gua em poos profundos at 70 m. Porem devido ao elevado custo de aquisio deste tipo de bomba, recentemente vem sendo empregada a bomba do tipo vibratria para casos em que a profundidade limite no ultrapasse 40 m de altura. Esta tecnologia surgiu como uma alternativa para baixar o custo de aquisio do sistema de bombeamento de poos. A nova tecnologia de sistema de bombeamento emprega bomba vibratria movida por energia solar. Este sistema de bombeamento composto por: bomba, painel e driver, sem a necessidade de bateria. A bomba pode operar em sistemas solares a partir de 100 Wp [13]. As bombas vibratrias necessitam de corrente alternada para seu funcionamento. No entanto, os geradores fotovoltaicos e alguns tipos de aerogeradores fornecem em sua sada eletricidade em corrente contnua, que incompatvel com o funcionamento da bomba vibratria convencional. Assim, para viabilizar a operao deste tipo de bomba com alimentao em corrente contnua proveniente de fontes alternativas de energia eltrica foi inserido um pequeno inversor denominado de driver entre o gerador e a bomba. O Driver equipamento que controla o fornecimento de energia bomba por meio de um micro controlador digital. A energia proveniente dos painis FV armazenada no Driver por meio de capacitores, e em seguida convertida em impulsos de energia constantes e espaados em funo do nvel de radiao solar [15]. A instalao similar ao da bomba vibratria convencional e o sistema denominado de bombeamento de deslocamento positivo por vibrao. Disponveis comercialmente, estes modelos de bomba vibratria so a inovao do sistema de bombeamento por vibrao, utilizando como fonte de energia eletricidade em corrente contnua e, apesar de limitadas a operar no mximo a 40 m de altura, permitem atender a uma vasta gama de aplicaes.

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A potncia a ser disponibilizada pelo gerador FV em funo do volume de gua bombeado por dia (L/dia) e da altura manomtrica (mca). Para calcular a altura manomtrica total da bomba submersa do tipo vibratria, o mtodo similar ao da bomba de cavidade progressiva de superfcie e submersvel. Os sistemas de bombeamento FV apresentam como vantagem: ausncia do uso de combustvel; ao longo de 10 a 15 anos pode ser economicamente vivel uma vez que o bombeamento no usa combustvel fssil, tais como diesel ou gasolina; energia limpa que no emite gases causadores do efeito estufa; motor de acionamento resistente; sistema FV garantido por 20 anos; e baixo ndice de manuteno. A tabela 2.2 apresenta as caractersticas de dois modelos de bomba vibratria alimentadas em 24 Vcc fabricados no Brasil.

Tabela 2.2 Modelos de bombas vibratrias alimentadas a 24 Vcc Caractersticas Tcnicas / Modelo P100 R100 Aplicao Poos com maior Cisternas que 6" Reservatrios Tipo Submersa, bombeamento por vibrao Dimenses (A x ) mm. 300 x 143 352 x 220 Classe de Isolao IP - 58 Proteo contra choque Classe I Alimentao (Vcc) - (Nominal) [mximo] (24) - [36] Potencia recomendada do sistema (W) 100 a 170 Dimetro/ Conexo de Tubulao 3/4" Temperatura mxima do lquido C35 Fonte: [13]

Driver 100 Ambas

262x115x161 IP - 65 Classe I

-

A figura 2.8 mostra um sistema de bombeamento implementado com bomba vibratria do tipo submersa usada em pequena altura manomtrica, interligada ao painel FV mediante um driver, no papel de condicionador de potncia.

Figura 2.8 Bombeamento FV com bomba submersa do tipo vibratria [15]

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Valores de vazo em funo da altura e da potncia de pico do gerador so mostrados na figura 2.9.

Figura 2.9 Bombas dgua Anauger Solar [15]

Como desvantagens, apresentam custo inicial de aquisio alto, especialmente para os sistemas maiores; bombeamento do volume de gua varivel em funo da irradiao, embora com dias nublados a necessidade de gua para o cultivo seja menor; perigo de roubos das placas FV em reas no protegidas ou no habitadas; o custo aumenta significativamente com o aumento da altura manomtrica total.

2.2.4 Bomba Volumtrica Acionada por Aerogerador As bombas de cavidade progressiva tambm podem implementar sistemas elicos de bombeamento Estas bombas podem ser acionadas por motores eltricos alimentados por um aerogerador. Neste caso, uma turbina aciona o gerador, que produz a eletricidade usada para alimentar o motor de acionamento da bomba. A figura 2.10 mostra o exemplo de um sistema de bombeamento elico acionado por aerogerador usado para alimentar o motor eltrico de uma bomba submersa. No caso de geradores que disponibilizam em sua sada tenses cc, a bomba pode ser a do mesmo tipo usada em sistema de bombeamento FV, uma vez que o aerogerador produz eletricidade similar a dos painis. As bombas elicas tambm podem ter sistema de interligao direta entre o aerogerador e o motor da bomba e o sistema de interligao indireta, efetuado por meio de um controlador que estabelece as melhores condies de operao do sistema de bombeamento. O controlador tambm cumpre a funo de manter uma ou mais baterias em carga para fornecer eletricidade bomba, quando h exigncia de

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bombeamento na ausncia de vento, alm de inibir o funcionamento da bomba uma vez que o reservatrio alcance o nvel mximo.

Figura 2.10 Sistema de bombeamento elico eltrico com bomba submersa

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2.3 As Bombas Hidrodinmicas o Cinticas ou Tambm chamadas de turbo-bombas so mquinas constitudas de uma carcaa dentro da qual gira um rotor dotado de ps, o qual tambm denominado de impulsor. Uma vez recebendo energia mecnica por meio de um eixo, o impulsor gira continuamente e coloca o fluido em movimento. Uma vez que o fluido adquire movimento, o mesmo escoa em alta velocidade em direo as paredes internas da carcaa. Quando o fluido se descarrega na carcaa da bomba sua velocidade sofre uma reduo e transforma a energia cintica adquirida com o movimento em energia de presso. A reduo da velocidade do fluido provocada pelo formato da carcaa, a qual pode ser em voluta ou com difusor. tpica desta categoria de bomba a dependncia operacional entre o volume de fluido conferido e a presso As bombas presso. cinticas mais comuns so bombas centrfugas; bombas de fluxo misto; bombas axiais; s so: fugas; bombas regenerativas e bombas de carcaa rotativa ou bombas de tubo pitot pitot. Um exemplo de bomba cintica a bomba centrfuga a qual mostrada em corte por meio das figuras 2.11 (a) e (b).

Figura 2.11 Corte de uma bomba centrfuga (a) vista lateral do caracol e (b) vista frontal do caracol [11] centrfuga:

2.3.1. Bombas Centrfugas As bombas centrfugas foram concebidas muito antes de poderem ser concretizadas, pois os construtores careciam de uma fonte de energia cintica de alta velocidade de rotao [16]. Estima-se que a primeira mquina que poderia ser caracterizada como uma bomba se centrfuga era uma mquina de elevao de lama citada por volta de 1475 em uma obra escrita pelo engenheiro italiano Francesco di Giorgio Martini [9][17]. Somente no incio do sculo XIX comea-se a manufatura e a utilizao de bombas centrfugas, notadamente nos Estados se Unidos da Amrica. Em 1851, na Inglaterra, o inventor John Appold introduz a curvatura das

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ps do rotor. As bombas centrfugas passaram a ser comuns na Europa e nos Estados Unidos da Amrica no final do sculo XIX, quando passaram a ser manufaturadas por diversos fabricantes [16]. Sendo uma turbo-mquina, a bomba centrfuga a mquina hidrulica mais usada para bombear lquidos na irrigao agrcola, nos edifcios residenciais, no saneamento bsico e na indstria em geral, recalcando, pressurizando ou transportando lquidos de um lugar para outro. Existe uma grande quantidade de modelos de bomba centrfuga e cada modelo se presta a uma aplicao especifica. A partir do conhecimento da aplicao e das condies de servio requeridas pelo sistema de bombeamento selecionado o tipo de bomba centrfuga. Dependendo da forma do rotor a bomba centrfuga classificada em: - Escoamento radial, neste tipo a presso desenvolvida devido ao da fora centrfuga. A gua adentra axialmente pelo centro e sai radialmente pela periferia do rotor. Normalmente bombas centrfugas de escoamento radial, so de eixo horizontal que podem ter aspirao simples no caso da gua entrar por um nico lado, ou aspirao dupla se a entrada se faz pelos dois lados e pode ser de estgio simples ou mltiplo. - bombas de hlice (escoamento axial), nestas a origem da presso devida principalmente associao ao efeito de suco. A gua entra axial e sai quase que axialmente; - helicoidais (escoamento misto), para esta bomba a gua entra axialmente e sai numa direo entre o radial e o axial e ainda pode ser de simples estgio e mltiplo estgio. As bombas centrfugas de hlice e helicoidais normalmente so de eixo vertical. As bombas centrfugas podem ainda ser de superfcie e submersveis.

2.3.2 Funcionamento da Bomba Centrfuga Uma bomba centrfuga trabalha transferindo energia cintica para o fluido e transformando-a em energia potencial, seja esta de posio ou, mais frequentemente, de presso no bocal de descarga da bomba. Esta ao realizada empregando os conceitos do Princpio de Bernoulli. Uma bomba centrfuga emprega um rotor que gira e normalmente tem palhetas curvadas para trs, como mostra a figura 2.11 (b). Acionada mecanicamente por um eixo rotativo, a rotao do rotor da bomba transfere energia para o fluido atravs das palhetas do rotor. O fluido presente na suco entra no olho do rotor - uma cavidade de dimetro menor, interna - a partir de onde escoa em direo ao dimetro externo pelos canais formados entre as palhetas do rotor.

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O fluido deixa o rotor com considervel velocidade absoluta (a parcela de energia cintica) que deve ser convertida em energia potencial de presso. Isto realizado nas partes no rotativas. A forma mais frequente de recuperao de energia nas partes no rotativas uma carcaa com formato encaracolado, dito voluta, que termina em um bocal de recalque. Uma outra forma usual de dispositivo recuperador de energia uma srie de palhetas estticas, chamada de difusores. O difusor com palhetas pode ser seguido de um canal de retorno - dirigindo o fluido a outro rotor - ou a um coletor espiral, muito semelhante a uma voluta. A energia transferida pela bomba centrfuga ao fluido funo do dimetro do rotor, da rotao de acionamento e do projeto do rotor. Se a descarga requer uma energia ainda mais alta que a fornecida pela bomba ao fluido, no h escoamento: o fluido somente pressurizado [17].

2.3.3 Caractersticas Operacionais das Bombas Centrfugas As caractersticas operacionais importantes de uma bomba centrfuga so a vazo Q, a altura h, a potncia de entrada Pm, a eficincia p , a velocidade rotacional n, e o dimetro d do rotor ou impulsor giratrio que realmente move o lquido que est sendo bombeado. As relaes entre estas variveis normalmente so expressas graficamente. Definindo um parmetro chamado de velocidade especfica ns que o mesmo para todas as bombas geometricamente semelhantes, de modo que a quantidade de possveis grficos reduzida [18], [19]. Conforme [2], a expresso da velocidade especifica dada por: 51,64, ,

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Em que a velocidade especfica pode ser expressa em qualquer conjunto de unidades coerentes, onde: - n a velocidade especfica [rpm]; a velocidade rotacional em [rpm]; - Q a vazo em [m/s];

- h a altura manomtrica total em [m]. A velocidade especifica no planejada para ser um valor preciso, assim sempre arredondada para no mais do que dois dgitos significantes. calculada na melhor eficincia ou ponto de mxima da operao da bomba. Isto , quando desejado calcular a velocidade especfica das curvas de desempenho, so usadas a vazo e valores de altura para o ponto de mxima eficincia. A figura 2.12 mostra a relao entre eficincia e a velocidade especfica

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para cada valor de vazo para a bomba centrfuga empregada no sistema elico de bombeamento avaliado nesta dissertao.

70 60 50 Eficiencia (%) 40 30 20 200 600 1000 1400 1800 2200 2600 Velocidade Especfica Figura 2.12 Eficincia versus velocidade especfica da bomba centrfuga 3a5 3a4 0,9 a 3 3a6 3a7 3 a 8 m/h

A eficincia diminuir com a mudana de condio operacional e das condies timas para qual a bomba foi projetada. As bombas de baixa vazo da mesma qualidade de projeto tambm tero eficincias mximas mais baixas. As caractersticas de uma bomba em velocidade constante so normalmente dadas como curvas de altura h, eficincia , e a potncia de entrada Pm versus a vazo Q, como mostra a figura 2.13.

h Pm

Q Figura 2.13 Altura, eficincia, e potncia motora em funo da vazo

Nota-se que a altura possui valor mximo para taxa de vazo a zero. A altura ento diminui com vazo crescente at que alcance zero na vazo mxima. O ideal pensar com relao altura de como a elevao da coluna dgua deve ser erguida pela ao da bomba para realmente haver vazo. Como esta altura fica maior, a quantia da gua que a bomba pode realmente elevar contra esta ao da altura ficar pequena, finalmente alcanando zero na mxima altura. Nesta altura, o rotor da bomba ir impactar contra a gua, mas nenhuma gua

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realmente flui para fora da bomba. Ao invs, a gua est fluindo em torno do rotor onde no se ajusta firmemente na carcaa da bomba. A energia produzida e, conseqentemente, a eficincia so zero neste momento desde que a vazo seja zero. Toda a potncia de entrada da bomba est sendo convertida em calor j que nenhum trabalho til est sendo feito. O calor pode ferver a gua e arruinar a bomba. Uma vez que a altura vista pela bomba vai diminuindo, cada vez mais a gua fluir, at alcanar uma vazo mxima altura nula. A eficincia, que proporcional ao produto da altura pela vazo, vai para o mximo e diminui para zero no ponto de altura nula. A potncia de entrada est, agora, sendo usada para superar as perdas do bombeamento, que em ltima instncia, aparece como um aumento de temperatura da gua que flui para fora da bomba [2]. A curva real da potncia de entrada Pm versus a vazo variar com a velocidade especfica da bomba. Em velocidades especficas baixas, Pm aumentar com a vazo. A potncia mxima pode continuar a aumentar em torno do ponto da eficincia mxima at que o ponto da mxima vazo seja alcanado, como mostrado na figura 2.12. Em certo valor de velocidade especfica, a potncia de entrada da bomba se torna quase constante, independente da vazo. Em velocidades especficas maiores, a potncia mecnica da bomba pode realmente indicar um decremento com vazo crescente [2].

2.3.4 A Bomba Centrfuga Operando em Velocidade Varivel No caso da bomba operar em alguma outra velocidade, uma nova curva da altura versus vazo devera ser conseguida. A figura 2.14 mostra as curvas para operao em velocidade varivel.h

h2 h1 n1

n2

Q1

Q2

Q

Figura 2.14 Curvas da altura versus vazo para duas velocidades diferentes (n1, n2)

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Os pontos equivalentes para as duas curvas so obtidos das relaes seguintes, conforme [2]

3

4

Se a eficincia permanece a mesma nos pontos equivalentes, a variao da potncia mecnica de entrada dada por:

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medida que aumentam as velocidades rotacionais ou o tamanho da bomba, um efeito dinmico chamado de cavitao fica evidente e exige que a bomba seja abaixada com relao ao nvel da gua. Este efeito se refere formao de cavidades cheias de vapor, e subseqente colapso na gua ou outro lquido bombeado. Quando a presso local em certo ponto no lado de suco de uma p do rotor cai abaixo da presso de vapor, uma bolha de vapor formada. Como a bolha atravessa o fluxo da bomba, encontrar uma regio onde a presso local maior que a presso de vapor, na qual s vezes estourar. Quando ocorre a cavitao, so ouvidos rudos e vibraes caractersticas e, quanto maior for bomba, maiores sero estes efeitos. Alm de provocar o desgaste progressivo at a deformao irreversvel dos rotores e das paredes internas da bomba, simultaneamente esta apresentar uma progressiva queda de rendimento, caso o problema no seja corrigido. Nas bombas a cavitao geralmente ocorre por altura inadequada da suco (problema geomtrico), por velocidades de escoamento excessivas (problema hidrulico) ou por escorvamento incorreto (problema operacional) [20]. Uma maneira de eliminar o efeito da cavitao baixar mais a bomba com relao ao nvel da gua, e assim aumentar a presso no lado de suco da bomba. Pode ser necessrio para uma dada bomba que esta seja montada abaixo do nvel da gua para prevenir cavitao.

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2.3.5 Bomba Centrfuga Acionada Pela Rede El Eltrica Bombas centrfugas, quando devidamente instaladas e submetidas a um programa mnimo de manuteno peridica, operam com o mnimo de superviso e correspondem com um prolongado perodo de funcionamento satisfatrio. As bombas centrfugas so empregad empregadas para os mais variados tipos de servio, assim so fabricadas em uma grande variedade de projetos especficos para cada servio a que se destina. O sistema de bombeamento eltrico implementado com bomba centrfuga exige alguns cuidados na instalao, ope operao e manuteno. Normalmente, o projeto do sistema de bombeamento definido em funo dos requisitos do processo e das condies consideradas ideais para determinado emprego, referente aos cuidados necessrios instalao da bomba. Um dos principais cuidados na instalao do conjunto motor bomba com relao a sua localizao, a qual deve estar o mais motor-bomba prximo do reservatrio de suco, de modo que a tubulao de suco seja a mais curta e direta, com o mnimo de conexes, para minimizar as perdas de carga. A bomba e motor devem ser protegidos do risco de inundao e, na medida do possvel, instalados em lugar seco, arejado, limpo e com boa iluminao. Um exemplo de sistema tpico de bombeamento que emprega bomba centrifuga mostrado pela figura 2.15.

Figura 2.15 Sistema de bombeamento usando uma bomba centrfuga, adaptado de [21]

A instalao constituda por uma bomba centrifuga e diversos acessrios, necessrios ao bom desempenho de funcionamento da bomba e para a performance global do sistema hidrulico de bombeamento.

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Para que a operao da bomba ocorra dentro de parmetros nominais, preciso satisfazer certas condies tanto da instalao hidrulica quanto das caractersticas do lquido a ser bombeado. Tratando-se da instalao, necessrio respeitar limites como altura manomtrica mnima e mxima dimetro dos tubos e conexes; quanto s caractersticas do lquido, deve-se verificar a densidade, abrasividade, temperatura e viscosidade. Outro limite que deve ser respeitado a presso de vapor do lquido NPSH Net Positive Succion Head. No decorrer do bombeamento da gua, qualquer que seja o ponto da tubulao de suco a presso jamais deve alcanar o valor da presso de vapor da gua a certa temperatura. Desde que a presso na entrada do impulsor da bomba apresenta o ponto com menor presso da tubulao, alguns cuidados devem ser tomados, para evitar que esta presso seja menor que a presso de vaporizao da gua. Ao valor mnimo de presso a ser garantido na entrada do impulsor da bomba foi denominado de NPSH. Caso a presso na entrada do impulsor da bomba alcanar um valor menor que a presso de vapor da gua, ocorre a vaporizao desta donde surge um efeito denominado de cavitao. A cavitao por sua vez causa a modificao das curvas caractersticas de operao comprometendo o rendimento e desgaste prematuro do impulsor devido remoo de partculas. O efeito da cavitao percebido por causa do elevado nvel de rudo e vibraes durante o funcionamento da bomba [2]. Afastar-se dos valores estabelecidos para cada modelo conduz a bomba e os tubos ao mau funcionamento, indo desde o elevado consumo at danos eletromecnicos na bomba e reduo da vida util.

2.3.6 Bomba Centrfuga Acionada por Aerogerador Dos tipos de bombas apresentados, a bomba do tipo centrfuga uma das mais aplicadas em sistemas de bombeamento, quer sejam grandes ou pequenos. As bombas centrfugas possuem amplo espectro de aplicao e atendem a mais variadas necessidades de bombeamento. Sendo uma turbo-bomba, uma bomba centrfuga pode ser pensada como uma turbina que opera ao contrrio. Deste modo a energia de entrada proporcional ao cubo da velocidade do fluido que atravessa a bomba, que proporcional velocidade rotacional da bomba. Portanto, a bomba centrfuga constitui uma boa carga para uma turbina elica, pelo menos se esta funcionar prximo ao ponto timo de operao da bomba [2]. A operao normal de um sistema de bombeamento elico operar em velocidade varivel para um dado rotor com uma altura fixa, em lugar de uma operao em velocidade

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fixa para vrios rotores diferentes e em diferentes alturas. Para determinada altura fixa no existir nenhum fluxo at que o rotor da bomba atinja a velocidade necessria para tal. Com os aumentos de velocidade adicional, o ponto operacional da bomba se desloca devido ao crescimento do valor da altura. A taxa de fluxo alcana valor correspondente para determinada eficincia. Aumentando a rotao, a taxa de fluxo cresce e a eficincia tambm. No entanto, a eficincia comea a diminuir rapidamente em velocidades muito maiores, ainda que a taxa de fluxo continue a crescer. Isto ocorre devido aos aumentos de energia mecnica de entrada da bomba ao longo da linha de altura constante. Diante do exposto, percebe-se a importncia de um projeto cuidadoso do sistema de bombeamento elico. No se deve usar uma bomba com caracterstica especfica que no atenda a determinada altura, devido s velocidades rotacionais altas exigidas e tambm devido s perdas que seriam experimentadas em velocidades de vento abaixo da velocidade de interrupo da vazo. Com relao velocidade especfica, desejvel escolher uma bomba para qualquer aplicao de acionamento elico que tenha uma velocidade especfica grande suficiente para se obter uma boa eficincia. Tambm no se deve usar uma bomba em alturas abaixo do especificado pelo fabricante, pois esta operaria em uma regio de eficincia mais baixa em tais alturas. Se for bombear um poo que pode entregar apenas um determinado valor mximo de vazo, a certa altura, considerando uma turbina que fornea potncia em excesso a bomba seca o poo e arruna a bomba. Um bom projeto, ento, exige informaes do local especficas sobre a altura, a taxa de fluxo e capacidade da fonte, curvas caractersticas detalhadas de uma famlia de bombas, e a potncia versus curvas de velocidade da turbina elica. Os resultados satisfatrios sero obtidos apenas quando todos os componentes de sistema estiverem cuidadosamente combinados [2]. Quando um sistema de bombeamento elico de pequeno porte implementado com bomba centrfuga, normalmente, esta acionada por motor eltrico do tipo induo. Assim, o aerogerador que deve ser usado deve fornecer em sua sada uma tenso eltrica em corrente alternada para alimentar o motor de acionamento da bomba. Um exemplo de sistema de bombeamento elico que emprega uma bomba do tipo centrfuga acionada por motor eltrico alimentado por aerogerador apresentado na figura 2.16.

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Figura 2.16 Bombeamento elico implementado com bomba centrfuga de superfcie

Neste sistema, a bomba acionada por motor de induo alimentado por um aerogerador que disponibiliza em sua sada tenso em corrente alternada. A bomba utilizada do tipo centrfuga e recalca a gua contida numa cisterna at um reservatrio superior, sempre que a turbina do aerogerador receba vento em velocidade adequada. A interligao eltrica entre aerogerador e motor de acionamento da bomba pode ser efetuada direta ou indiretamente. Apesar da possibilidade de faz-la diretamente, adequado realiz-la por intermdio de um controlador o qual assume a funo de estabelecer a melhor condio para acionamento da bomba em termos de velocidade do vento que chega at a turbina do aerogerador. O controlador permite a acelerao da turbina em baixas velocidades de vento, de modo que a tenso de sada do aerogerador seja prxima tenso nominal do motor de forma que este receba potncia suficiente para acionar a bomba. Isto melhora

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bastante o rendimento global do sistema de bombeamento, uma vez que a vazo de uma bomba centrfuga bastante sensvel rotao do impulsor. O emprego da energia elica por meio de aerogeradores de eletricidade usados para alimentar motores acionadores de bombas comporta numerosas vantagens face s energias tradicionais e mesmo em comparao com outros tipos de energias renovveis, uma vez que j se encontra em avanado estgio de desenvolvimento. O uso da energia elica apresenta as seguintes vantagens: - inesgotvel, no precisa de combustvel; - No emite gases poluentes nem gera resduo, baseada no uso de energia limpa; - Os bombeamentos elicos so compatveis com outros usos e utilizaes do terreno como a agricultura e a criao de gado. No entanto o sistema de bombeamento elico apresenta algumas desvantagens: - O volume de gua bombeado muito varivel em funo da intermitncia do vento; - Em torno dos sistemas elicos de bombeamento detectada poluio sonora, devido ao rudo promovido pela turbina; - Provoca a alterao da paisagem, do ponto d