CONCEPÇÃO DE SOLUÇÃO E ENGENHARIA DE PRODUTO: …...vazamento na seção de eixo passante em bombas centrífugas constituintes de um ... Figura 2.19 – Esquematização e terminologia

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

CONCEPÇÃO DE SOLUÇÃO E ENGENHARIA DE

PRODUTO: ESTUDO DE CASO DE VAZAMENTO EM

BOMBA DE CONDENSAÇÃO

ALLAN VIEIRA LOURENÇO DE CARVALHO

NATAL- RN, 2019





PRODUTO: ESTUDO DE CASO DE UMA BOMBA DE

CONDENSAÇÃO


Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do

Rio Grande do Norte como parte dos

requisitos para a obtenção do título de

Engenheiro Mecânico, orientado pelo

Prof. Dr. William F. Q.

NATAL – RN

2019





PRODUTO: ESTUDO DE CASO DE UMA BOMBA

DE CONDENSAÇÃO.


Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso

Prof. Dr. William Fernandes de Queiroz

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Orientador

Prof. Dr. Angelo Roncalli Oliveira Guerra

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Co-Orientador

Prof. Dr. Carlos Magno de Lima

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Examinador interno

NATAL, 25 de novembro de 2019.

i

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila

Mamede

Elaborado por Kalline Bezerra da Silva - CRB-15 / 327

CDU 621.56 RN/UF/BCZM

1. Climatização - Monografia. 2. Bomba de condensação -

Monografia. 3. Concepção de solução - Monografia. 4. Vedação -

Monografia. I. Queiroz, William Fernandes de. II. Título.

Carvalho, Allan Vieira Lourenço de.

Concepção de solução e engenharia de produto: estudo de caso

de vazamento em bomba de condensação / Allan Vieira Lourenço de

Carvalho. - 2019.

73 f.: il.

Monografia (graduação) - Universidade Federal do Rio Grande

do Norte, Centro de tecnologia, Curso de Engenharia Mecânica.

Natal, RN, 2019.

Orientador: Prof. Dr. William Fernandes de Queiroz.

ii

Agradecimentos

Gostaria de agradecer primeiramente a Deus que me deu forças durante toda

minha vida. Também gostaria de agradecer aos meus pais, que me deram todo o suporte

para chegar até esse momento. Ao professor Dr. William, que dispôs de muita paciência e

me orientou durante todo o semestre. À minha namorada, ao qual me ajudou no aspecto

emocional, me dando confiança durante grande parte de minha graduação, bem como

conseguiu o livro base para a elaboração deste trabalho. Dedico também à todos os amigos

que de alguma forma contribuíram para que eu chegasse até aqui.

iii

CARVALHO, Allan Vieira Lourenço de. Concepção de solução e engenharia de produto: estudo de caso de vazamento em bomba de condensação. 2019. 74f. Trabalho de

Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Departamento de engenharia

mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2019.

Resumo A busca por comodidade e qualidade de vida, têm impulsionado o impeto

por desvendar à natureza e suas leis, bem como o desenvolvimento de novos

mecanismos e equipamentos. Constatamos assim, que a evolução da vida humana

passa por diversos aspectos e novas tecnologias empregadas na sua

sobrevivência. Em cima desse ponto, temos a climatização com o advento da

tecnologia de refrigeração como um fator determinante no desenvolvimento da

vida, seja nos aspectos sociais ou econômicos.

Baseado no desenvolvimento dessa tecnologia, nos deparamos com

situações que exigem diversas novas soluções e sistemas de cada vez maior

complexidade. No entanto, para que possamos realizar uma abordagem mais

simplificada se optou por um conjunto de métodos atribuídos à fase de concepção de

solução (etapa de projeto abordada pela engenharia de produto), que antecedem o

anteprojeto, mas que nos levará à soluções mais práticas e condizentes com as

possiveis tomadas de decisão, assim como proporcionará uma parcela menor de

tempo no planejamento e execução de projeto.

Sendo assim, com a elaboração da lista de requisitos, estrutura de função,

quadro de busca em princípio de solução e lista de avaliação para seleção de

princípios de funcionamento, pôde-se solucionar um problema característico de

vazamento na seção de eixo passante em bombas centrífugas constituintes de um

sistema de refrigeração de grande porte, atingindo diversos equipamentos de forma

sistemática em um período curto de tempo, não previsto pela documentação vigente

( PMOC). E foi com auxílio das ferramentas descritas, que se conseguiu chegar à

solução por emprego de um novo princípio de funcionamento de vedação. Sendo este,

de utilização de selo mecânico com sede de aço inox, multi-molas e anel vedante

rotante feito em PTFE, além do emprego de uma bucha de aço inoxidável para a seção

do eixo danificada.

Palavras-chave: Climatização, Concepção, Bomba, Vedação, Projeto.

iv

CARVALHO, Allan Vieira Lourenço de. Concepção de solução e engenharia de produto: estudo de caso de vazamento em bomba de condensação. 2019. 74f. Trabalho de

Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Departamento de engenharia

mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2019.

Abstract

The search for convenience and quality of life, have boosted the urge to discover

nature and its laws, as well as the development of new mechanisms and equipment. We thus

find that the evolution of human life goes through various aspects and new technologies

employed in its survival. On top of this, we have climate control with the advent of refrigeration

technology as a determining factor in the development of life, even in social or economic

aspects.

Based on this technology, we face situations that require several new solutions

and increasingly complex systems. However, in order for us to take a more simplified

approach, I choosed a set of methods assigned to the solution design phase (design phase

addressed by product engineering), which precede the draft, but will lead us to more practical

and cost-effective solutions. Consistent with possible decision-making, as well as providing

less time for project planning and execution.

Thus, with the elaboration of the requirements list, function structure, search box

in principle of solution and evaluation list for selection of operating principles, it was possible

to solve a characteristic problem of through shaft section leakage in centrifugal pumps.

constituents of a large refrigeration system, reaching various equipment systematically in a

short period of time, not foreseen by the current documentation (operational maintenance

and control plan). And it happened with the help of the described tools that the solution was

achieved by employing a new principle of sealing operation. As such, using a mechanical

seal with stainless steel seat, multi-spring and PTFE rotating sealing ring, in addition to the

use of a stainless-steel bushing for the damaged shaft section.

Keywords: Climatization, Conception, Pump, Sealing, Project.

v

Lista de figuras

Figura 1.1 – Estimativa do tempo de exposição de diversos alimentos em função da

temperatura.............................................................................................................................7

Figura 2.1 – Sistema de climatização de zonas simples..........................................................9

Figura 2.2 – Esquematização de um processo de expansão direta.......................................10

Figura 2.3 – Esquematização de um processo de expansão.................................................11

Figura 2.4 – Self´s contained de condensação à ar ...............................................................12

Figura 2.5 – Ar condicionado de janela .................................................................................12

Figura 2.6 – Esquematização dos componentes de um split system comercial ....................13

Figura 2.7 – Esquematização de um sistema de um sistema VRF com unidades em

resfriamento, aquecimento e em “pausa” .............................................................................14

Figura 2.8 – Esquematização dos dispositivos que compõem um fan coil.............................16

Figura 2.9 – Equipamento Chiller comercial..........................................................................17

Figura 2.10 – Esquematização do sistema Chiller.................................................................17

Figura 2.11 – Quadro de características inerentes a cada tipo de compressor......................20

Figura 2.12 – Componentes de uma torre de resfriamento....................................................21

Figura 2.13 – Subdivisões das bombas de deslocamento positivo........................................23

Figura 2.14 – Esquematização dos principais tipos de bombas alternativas..........................25

Figura 2.15 – Exemplificação de bombas rotativas de variados tipos....................................26

Figura 2.16 – Bomba centrífuga em “corte” com impelidor transversal e entrada normal à

saída.....................................................................................................................................28

Figura 2.17 – Bomba centrífuga com seus componentes descritos.......................................28

Figura 2.18 – Rotor com pás curvadas para o centro do rotor, usado em bombas de fluxo

misto.....................................................................................................................................29

Figura 2.19 – Esquematização e terminologia de uma bomba axial, com eixo vertical padrão,

em acordo com a norma brasileira ABNT 10131:2015...........................................................30

Figura 3.1 – Chiller de dois passos/tubulações de entrada e saída......................................32

Figura 3.2 – Chiller de um passo............................................................................................33

Figura 3.3 – Chiller de quatro compressores.........................................................................33

Figura 3.4 e 3.5 – Torres de resfriamento em alvenaria e novas torres de resfriamento da

expansão..............................................................................................................................34

Figura 3.6 – Bombas de água de condensação e circulação (BACCs)..................................34

Figura 3.7 – Bombas de água de condensação (BACs).........................................................35

Figura 4.1 – Bomba centrífuga de condensação...................................................................37

vi

Figura 4.2 – Desmontagem do acoplamento bomba/motor elétrico e juntas..........................37

Figura 4.3 – Desmontagem de rotor/junta radial....................................................................38

Figura 4.4 – Entrada axial do rotor desmontado....................................................................38

Figura 4.5 – Acoplamento bomba/motor elétrico desmontado...............................................38

Figura 4.6 – Formulação do problema e função global de acordo com a lista de requisitos....44

Figura 4.7 – Função global expandida da bomba centrífuga..................................................45

Figura 4.8 – Subfunção vedação,recebendo fluxo material das funções rotacionar, acelerar

e desacelerar........................................................................................................................46

Figura 4.9 – Princípios de solução ligados as devidas subfunções estabelecidas.................48

Figura 4.10 – Esquematização representativa das dimensões do acoplamento bomba/motor

elétrico..................................................................................................................................49

Figura 4.11 – Esquema de ligação padrão Y-Δ, do motor elétrico..........................................50

Figura 4.12 – Lista de seleção e avaliação dos princípios de funcionamento.........................51

Figura 4.13 – Esquematização de posição de gaxetas e sobreposta.....................................53

Figura 4.14 – Correlação entre o Ph da água e a taxa de oxidação do ferro...........................53

Figura 4.15 – Selo mecânico com vista em corte...................................................................55

Figura 4.16 – Selo mecânico do tipo SB-OTT, com sede em inox e anel vedante secundário

em PTFE...............................................................................................................................55

Figura 4.17 - Valores referenciais para os serviços requeridos de algumas empresas

sediadas em Natal-RN..........................................................................................................56

vi

i

Lista de tabelas

Tabela 2.1 – Figura esquemática de limites e parâmetros usuais em tipos de bombas

rotativas................................................................................................................................28

Tabela 2.2 – Figura esquemática de limites e parâmetros usuais em tipos de bombas

centrífugas............................................................................................................................28

Tabela 2.3 – Parâmetro de velocidade específica em função do tipo de bomba, vazão, altura

manométrica e rotação..........................................................................................................31

Tabela 2.4 – Parâmetros de operação em Q (vazão), H (carga) com relação ao tipo de

bomba...................................................................................................................................32

Tabela 4.1 – Determinação de folga diametral e tolerância dimensional de acordo com o

diâmetro do anel de desgaste adotado..................................................................................43

Tabela 4.2 – Referência de variação de tolerância dimensional com relação ao diâmetro

interno do anel interior e eixo.................................................................................................44

Tabela 4.3 – Referência de tolerância dimensional entre diâmetro externo do anel retentor e

caixa......................................................................................................................................44

Tabela 4.4 – Relação de simbologia e tipos de função..........................................................48

Tabela 4.5 – Valores de mercado pesquisados para os princípios de vedação

selecionados.........................................................................................................................52

vi

ii

Sumário

Agradecimentos..................................................................................................................... 2

Resumo................ ................................................................................................................. 3

Abstract………....................................................................................................................... 4

Lista de figuras. ..................................................................................................................... 5

Lista de tabelas ..................................................................................................................... 7

1.Introdução............................................................................................... ..................... .....10

2.Climatização - Revisão Bibliográfica ................................................................................ 12

2.1 Sistemas de climatização .............................................................................................. 12

2.1.1 Sistemas de distribuição de ar.................................................................................... 12

2.1.2 Tipos de condicionadores de ar.................................................................................. 14

2.2 Sistema Chiller .............................................................................................................. 20

2.2.1 Componentes do sistema chiller ................................................................................. 20

3.Sistema de refrigeração chiller do natal shopping ............................................................ 33

3.1 Componentes do sistema chiller.................................................................................... 35

3.2 Funcionamento do sistema........................................................................................... 37

4.Estudo de caso e aplicação de metodologia .................................................................... 38

Lista de requisitos para problema........................................................................................ 40

Estrutura de função ............................................................................................................. 45

Busca de principio de solução ............................................................................................. 48

Seleção dos principios de funcionamento ........................................................................... 49

ix

Propostas de solução para o estudo de caso ...................................................................... 53

5.Conclusões.......................................................................................... ............................. 58

6.Referências......................................................................................................... .............. 59

7.Anexos............................................................................................................ .................. 62

10

1. Introdução A refrigeração tem por objetivo manter um corpo ou meio com temperatura

abaixo à do meio ambiente. A 2º lei da termodinâmica diz que o fluxo de calor tende ir

de um potencial maior (alta temperatura) para um potencial menor (baixa

temperatura). Para poder transferir calor de uma temperatura menor para uma

temperatura maior, usa-se um sistema de refrigeração. (WYLEN, 1995). Constatamos

com uma breve análise, que a evolução da vida humana passa por diversos aspectos

e novas tecnologias empregadas na sua sobrevivência. Sendo a refrigeração de

importância ímpar nesse certame, já que antes a simples tarefa de conservar

alimentos para o consumo, bem como de conservar medicamentos e sangue para

procedimentos médicos, manter conforto térmico, controle de processos industriais

além de outra gama de processos vitais, era inviável.

Dos maiores avanços que propiciaram a evolução do comércio e economia

como um todo, temos o avanço na conservação de alimentos como uma dar

aplicações com maior importância, algo que se torna evidente quando se analisa a

figura 1.1.

Fonte: STOECKER, 2002.

Porém, ao entrar no campo da refrigeração nos deparamos com diversas

outras vertentes que podem ser vistas por meio de duas óticas que são as da

refrigeração industrial (onde está inserida a refrigeração para condicionamento de

alimentos) e a refrigeração para condicionamento de ar.

Figura 1.1 - Estimativa do

tempo de exposição de

diversos alimentos em função

da temperatura.

1) Frango

2) Peixe

3) Carne

4) Banana

5) Laranja

6) Maçã

7) Ovos

8) Maçã armazenada em

atmosfera controlada

de bióxido de carbono.

11

A refrigeração industrial, a exemplo do condicionamento de ar, tem como objetivo

a refrigeração de alguma substância ou meio. Os componentes básicos de ambos os

processos não diferem: compressores, trocadores de calor, ventiladores, bombas, tubos,

dutos e controles. [...] Os processos referidos apresentam uma série de similaridades,

embora se distinguam em diversos aspectos, tais como componentes, procedimentos de

projeto e mercadológico. (STOECKER, 2002).

Sendo assim, temos as condições especificas para cada necessidade e

situação requerida, onde os projetos de sistemas de climatização necessitam atender

aos requisitos de condicionamento de ar e conforto para o bem-estar e saúde. Dentro

desses requisitos, podemos listar a umidade, temperatura, renovação de ar, diferença

de concentração de CO2 entre meio externo e meio condicionado e alguns outros

fatores atrelados. Já com relação ao meio que analisaremos nesse presente estudo,

este será o de um shopping center com mais de 26 mil metros quadrados de ABL (

área bruta locável). Portanto entende-se que um sistema de refrigeração que atenda

as condições de condicionamento antes mencionadas, deve atender á muitas

requisições especificas de projeto. Com isso, o objeto de análise do nosso estudo é

elemento constituinte de um grande sistema de refrigeração indireta para que seja

possível atender tamanha área e sua geografia específica.

O sistema de refrigeração indireta referido, é o sistema chiller que possui

muitos outros componentes relacionados, além da unidade evaporadora responsável

pelo resfriamento do fluído secundário, contanto o sistema também conta com redes

de distribuição de água gelada da unidade evaporadora (chiller) para as unidades

condicionadoras de ar (fan-coils), e as redes de distribuição de ar dos condicionadores

de ar para os ambientes condicionados. Sendo assim, existem elementos auxiliares

que dão suporte para que o fluído secundário (normalmente água) possa escoar pela

tubulação e atingir as outras unidades desejadas, para tal existem unidades de

bombeamento para os diversos fins. Onde temos as bombas como principais

componentes destas previamente mencionadas, já dentro deste conjunto possuímos

as bombas centrífugas para circulação de água gelada e para condensação. Contanto,

no presente trabalho trabalharemos em cima de um problema usual apresentado em

bombas de condensação da rede.

Sendo assim, para que possamos realizar esse estudo de caso, em um

componente constituinte de um sistema de moderada complexidade, utilizaremos uma

metodologia que permitirá uma abordagem mais clara, suscinta e que nos levará à

soluções mais práticas e condizentes com as possiveis tomadas de decisão. Se trata

12

da metodologia de concepção de solução, uma etapa relevante dentro das estratégias

ligadas à engenharia de produto. Onde pretende-se antecipar os possíveis imbróglios

no desenvolvimento de um produto, bem como notabilizar as restrições de projeto,

organizando a documentação sistemática dos requisitos. Entre outras possíveis

etapas que levem à consideração de problema solucionado.

2. Climatização - Revisão Bibliográfica

2.1 Sistemas de climatização Os sistemas de climatização e ar-condicionados analisados atendem às normas

regulamentadores instituidas por: ABNT NBR 16401 Parte 1 – Projetos das instalações de

ar-condicionados – Sistemas centrais e unitários, ABNT NBR 16401 Parte 2 – Instalações

de Ar Condicionado Sistemas Centrais e Unitários – Parâmetros de Conforto Térmico e

ABNT NBR 16401 Parte 3 – Instalações de Ar Condicionado Sistemas Centrais e Unitários

– Qualidade do Ar Interior.

2.1.1 Sistemas de distribuição de ar

Sistemas de distribuição de simples, que atendem a apenas um recinto.

Sistemas de zonas múltiplas, como o caso do condicionamento de diversas

salas com controles individuais.

Sistemas de zonas simples, onde tem-se o controle da taxa de renovação de

ar interno através da tomada de ar externo.

Figura 2.1 - Sistema de climatização de zonas simples

Fonte: https://docplayer.com.br/amp/6871623-Sistemas-de-climatizacao.html ,

acessado em 06/09/2019.

Ainda podemos especificar os sistemas de condicionamento de ar em dois

13

tipos: sistema de expansão direta e sistema de expansão indireta, onde no sistema

de expansão direta (figura. 2.2) , o ar que será climatizado entrará em contato

diretamente com o evaporador, já nos sistemas de expansão indireta (figura. 2.3),

um fluido intermediário será responsável pela troca com o meio, normalmente

utiliza-se a água gelada, como fluido.

Sendo assim, na expansão direta, o evaporador que contém um refrigerante

de expansão direta, que entra em contato com o espaço a ser refrigerado ou

produto. Contudo por muitas vezes, é inconveniente ou antieconômico circular um

refrigerante de expansão direta para a área ou áreas onde é requerida a

refrigeração. Em tais casos, é empregado um sistema de refrigeração de expansão

indireta, que é aquele em que existe um agente intermediário, ou fluido

intermediário de resfriamento, como os dispositivos de refrigeração de água

gelada. Em que a troca ocorre entre fluído contido no evaporador e fluído

secundário que será responsável por resfriar o espaço. Ou seja, o fluído secundário

é resfriado por um refrigerante de expansão direta num resfriador de líquido e então

bombeado através de tubulação para o espaço ou produto que está sendo

refrigerado.

Figura 2.2 - Esquematização de um processo de expansão direta

Fonte: Ministério do meio ambiente, 2016.

14

Figura 2.3 - Esquematização de um processo de expansão

Fonte: Ministério do meio ambiente, 2016.

2.1.2 Tipos de condicionadores de ar

SELF CONTAINED:

É um tipo de condicionador de ar compacto que podem ser classificados em condensadores

resfriados a ar ou com condensação a água. Podendo ser utilizados em uma série de

aplicações, seja no âmbito de convivência de pessoas para médio e grande porte. Ou mesmo

em aplicações que requerem resfriamento de outros equipamentos e edificações industriais.

Podendo atuar como fonte complementar ao uso de outros sistemas de climatização,

devido à sua praticidade de implantação. Compreendendo a áreas não contempladas em

outros projetos, algo que existe no natal shopping, mais especificamente na administração

do mesmo. Já falando a respeito dos tipos de self contained, sabe-se que o condicionador

de ar com condensação de ar, utiliza ventilador centrífugo para movimentar o ar entre as

aletas do condensador, onde o ar à temperatura ambiente, troca calor no condensador

aletado e retira o calor do fluido refrigerante no estado de vapor. Podemos perceber que o

self contained é bem similar ao tradicional split system e o condicionador de janela, contudo

para o self, temos a notável diferença quanto à disposição dos dispositivos. Onde o

compressor está junto do evaporador na unidade evaporadora.

15

Figura 2.4 - Selfs Contained de condensação a ar

Fonte: MERCOFRIO, 2016.

CONDICIONADOR DE JANELA

O ar condicionado de janela é um produto que opera em faixas de baixa potência,

sendo assim utilizado em espaços mais limitados, contanto é um aparelho compacto, que

consiste na unidade condensadora e evaporadora em um só espaço. Com potência de

operação podendo atingir a faixa de 30000 BTU. Apresentando um custo relativamente mais

baixo quando comparado aos split system, aparelhos que compreendem aos mesmos de

aplicação. No entanto, possuem um diferencial competitivo, que está relacionado ao ruído, tendendo sempre ser menor em relação aos condicionadores de janela.

Figura 2.5 - Ar condicionado de janela.

Fonte: http://frioclimatizado.blogspot.com/2016/03/sistema-mecanico-ar-condicionado-

tipo.html, acessado em 08/09/2019.

16

SPLIT SYSTEM

Pelo próprio nome “split”, sabemos que se trata de uma espécie de condicionador

de ar em que a unidade condensadora é separada da unidade condensadora. Ainda que o

evaporador e o condensador estejam separados, o condicionador só pode ser chamado de

split system, se o mesmo possuir uma unidade condensadora separada do conjunto. Apesar

de representarem uma alternativa mais atrativa com relação à consumo energético e

discrição do aparelho em si. Estes aparelhos ainda enfrentam problemas relacionados à

praticidade e tamanho dos seus componentes, pois necessita de um planejamento prévio

com relação à instalação. Contanto, esse equipamento confere maiores valores de potência

e rendimento em detrimento de mais espaço para acondicionamento dos dispositivos. Figura 2.6 - Esquematização dos componentes de um split system

comercial.

Fonte: https://docplayer.com.br/4337530-Manual-do-usuario-ar-condicionado-multi-split-

linha-mini-split-capacidades-www-rheem-com-br.html, acessado em 08/09/2019.

17

SISTEMA VRF (FLUXO DE REFRIGERANTE VARIÁVEL):

O VRF é um tipo de equipamento destinado para espaços grandes, com vários

pavimentos e áreas independentes, se tratando basicamente de um sistema de ar

condicionado central multi-split. Sendo um sistema com uma unidade externa ligada a

múltiplas unidades internas com modelo de operação individual, destinado à cada espaço a

ser refrigerado. Uma das grandes vantagens na utilização do sistema VRF, está ligada ao

dinamismo de operação, já que esse tipo de sistema confere a possibilidade de comandar

cada unidade ligada ao sistema central, de forma independente, garantindo economia de

energia, já que o sistema conta com uma unidade condensadora que abastece diversas

unidades evaporadoras distintas. Esse controle se dá basicamente pela utilização de

controle eletrônico com sistemas de controle, inserido em uma aplicação que combina

múltiplas unidades internas para um só ciclo de refrigeração, algo semelhante ao sistema

chiller. Além dessa facilidade operacional, se comparado a principal alternativa para as

mesmas aplicações, o chiller, sabe-se que o acionamento de uma unidade interna não

implica que todo o prédio será climatizado mesmo sem haver demanda.

Figura 2.7 – Esquematização de um sistema VRF com unidades em resfriamento,

aquecimento e em “pausa”.

Fonte: https://nergiza.com/que-es-un-sistema-de-climatizacion-vrf/, acessado em

09/09/2019.

Quanto às desvantagens, estas vão desde pontos ligados à manutenção dos

dispositivos presentes, até questões ligadas à distância máxima de tubulação. Já que o

equipamento perde capacidade de refrigeração com o aumento da distância de tubulação.

Além de desvantagens quanto ao custo, que tende a ser maior em questão de instalações.

A principal desvantagem, está ligada ao fato da dependência da unidade condensadora, já

que sua parada significa o comprometimento de todo o sistema, além da questão de

renovação do ar, propiciando a proliferação de microrganismos no ambiente refrigerado.

18

O SISTEMA CHILLER

Os sistemas de água gelada são amplamente utilizados em processos de

resfriamento, sejam destinados para aplicações de ar condicionado para conforto térmico ou

para processos industriais que incluem resfriamento e desumidificação de ar, resfriamento

de gases, líquidos, metais, vidros, plásticos, alimentos, controle de processos com reações

exotérmicas entre outros. Os sistemas mais comuns utilizam unidades compactas para

resfriamento de água gelada – os chamados chillers (termo em inglês para estas unidades,

amplamente utilizado no Brasil), que são equipamentos com ciclo de refrigeração completo,

em circuito fechado, montados em base compacta única (skid) e que necessitam apenas de

interligações hidráulicas (com os circuitos de bombeamento de água gelada e água de

resfriamento, quando aplicável) e interligações elétricas para se integrarem ao sistema. (

Ministério do meio ambiente, 2016).

O sistema chiller (Figura 2.9), funciona como um grande sistema de expansão

indireta, onde todas as serpentinas evaporadoras dispersas nas várias unidades

evaporadoras são alimentadas por um resfriador, também conhecido como cooler. Esse

dispositivo resfriador, faz parte da unidade condensadora, funcionando como um resfriador

de líquido, que passa como fluído secundário de troca direta com o ambiente refrigerado.

Sendo assim, sabe-se que o ciclo termodinâmico de refrigeração, acontece em uma

unidade central. Onde o resfriador, produz o fluído secundário resfriado que é circulado

pela tubulação por intermédio de bombas, que fornecem água gelada (fluido secundário)

aos Fan Coils.

Figura 2.8 – Esquematização dos dispositivos que compõem um fan coil.

Fonte: Voltani, 2014.

19

Quanto às questões relativas a manutenção dos dispositivos que compõem o

chiller (figuras 2.9 e 2.10), temos algumas componentes que precisam de manutenção com

períodos menores, isto é, os filtros, serpentinas, aletas, ventiladores, bombas e motores.

Sendo os filtros e ventiladores, responsáveis diretos pelo condicionamento do ar, passando

por períodos menores entre uma manutenção e outra. Já as bombas exigem atenção para

evitar a cavitação, problema causado pela erosão de seus componentes e que pode ser

solucionado se a pressão de sucção for mantida no mínimo ideal. Quanto aos motores, sabe-

se que precisam de limpeza regular e lubrificação adequada.

Figura 2.9 – Equipamento Chiller comercial.

Fonte: https://www.webarcondicionado.com.br/conheca-o-chiller-o-equipamento-dos-

grandes-projetos-de-climatizacao, acessado em 08/09/2019.

Figura 2.10 – Esquematização do sistema chiller.

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=Alp_8JKvdk8, acessado em 09/09/2019.

20

2.2 Sistema Chiller

2.2.1 Componentes do sistema chiller

Embora o tipo mais utilizado de sistema chiller, seja baseado em condensação à

água, também temos o chiller de condensação à ar. Sendo os componentes de cada tipo,

variando conforme à escolha. Que por sua vez é determinada conforme algumas condições

padrão de qualidade da água, bem como de disponibilidade da mesma. Isso, porquê os

sistemas chiller com condensação à água possuem maior eficiência energética comprovada.

Com isso, temos os componentes principais dos dois tipos de sistemas de água gelada

listados abaixo:

1. Sistema de água gelada com chiller à ar

Fan-coil

Termostato

Válvulas de controle de vazão de água

Rede de tubos de distribuição de água

Bombas de água gelada

Chiller condensação à ar

Dentre as características do sistema com condensação à ar, temos algumas

particularidades que vão desde o local de instalação e a possível capacidade frigorífica

disponível. Onde o chiller tem que ser instalado no ambiente externo, com capacidade

variando de 5 a 250 TR, dimensionado pelo pico de carga simultânea da edificação. Já para

os sistemas chiller com condensação à água, temos outros constituintes principais, que

também seguem as condições do sistema condizente. Sendo assim, os principais

componentes são:

2. Sistema de água gelada com chiller à água

Fan-coil

Termostato

Válvulas de controle de vazão de água

Rede de tubos de distribuição de água gelada

Bombas de água gelada

Chiller condensação a água

Bomba de água de condensação

21

Rede de tubos de distribuição de água de condensação

Torre de arrefecimento ou resfriamento

As principais características do sistema dizem respeito à versatilidade do sistema

como um todo, já que este pode ser instalado em qualquer lugar, podendo ser em contato

com o meio externo ou até no subsolo do local desejado. Podendo alcançar capacidades

frigoríficas variando de 20 a 600 TR. Outro tipo de classificação de chiller, varia de acordo

com o tipo de compressor adotado.

Falando mais a respeito dos compressores, sabe-se que são os componentes

mais caros que estão envolvidos dentro do sistema de refrigeração, onde estes possuem

basicamente o mesmo princípio de operação e finalidade.

Basicamente, temos três fases em sua operação: sucção, compressão e

descarga. Na sucção, o gás preenche de forma contínua a área entre lóbulos dos rotores até

o instante em que os lóbulos ultrapassagem a região de entrada; na compressão, o volume

entre os lóbulos é reduzido e o gás é comprimido gradativamente até o ponto de descarga,

quando o gás comprimido é descarregado (SALVADOR, 1999).

Quanto aos compressores, existem certas classes de tais variando conforme o

processo de compressão do gás refrigerante, concepção mecânica estrutural do sistema e

outras características particulares de cada compressor. Definidos em fase de projeto, para

com o tipo de equipamento que se deseja fabricar, sendo assim temos muitos tipos e

diferentes concepções de equipamentos utilizados dentro do campo de refrigeração e

climatização. Sendo os principais:

Alternativo

Rotativo

Scroll

Parafuso

Centrífugos

No quadro da figura 2.11, podemos ver algumas características particulares de

cada um, que vão desde a capacidade de compressão de gás, até sua aplicabilidade como

um todo.

22

Figura 2.11 – Quadro de características inerentes a cada tipo de compressor.

Fonte: https://www.refrigeracao.net/Topicos/compressores.htm, acessado em 10/09/2019.

Sabendo-se que os outros tipos de dispositivos do equipamento chiller em si, não

variam muito em detrimento de outros sistemas de refrigeração mais comuns, vamos nos

ater com outros componentes chave do processo. Vamos seguir uma sequência de

escoamento do fluído refrigerante ( compressor, condensador, dispositivo de expansão,

evaporador) para explanar os outros componentes associados.

Saindo do compressor, temos o fluído refrigerante escoando para a unidade

condesadora do chiller, sendo assim temos o fluído trocando calor com o fluído de

resfriamento secundário. O fluído de resfriamento secundário (água) por sua vez, vai operar

em um ciclo que passa por condensador e torre de resfriamento ou arrefecimento. Diferente

do fluído de refrigeração padrão, a água vai sempre operar por meio de dois circuitos distintos

na operação de um chiller de condensação à água. Já com relação ao ciclo, sabe-se que o

ciclo de condensação (condensador/torre de resfriamento) é um ciclo aberto, ou seja, onde

há contato direto do fluído de resfriamento secundário (água) com o ar externo. Esse contato

direto com o ar externo, é uma das interações que conferem a troca de calor necessária para

o resfriamento da água. A outra parte mais importante do processo de resfriamento, se dá

por conta de um processo físico natural da própria água que é a evaporação da mesma,

proporcionando remoção de calor do processo á uma temperatura próxima da temperatura

de bulbo úmido. Sendo assim, podemos definir o processo de resfriamento como o

contrafluxo de ar succionado por meio de hélices (acopladas em bombas na parte superior

das torres) passando pela venezianas na parte lateral das mesmas e então entrando em

contato com a água (ainda quente após sair do condensador) passando por uma entrada na

23

área superior da torre e é pulverizada (aumentando sua área de contato), caindo por

gravidade e trocando calor com o ar que toma o sentido oposto (contrafluxo). Depois a água

já resfriada, se deposita na bacia da torre de resfriamento (figura 2.12) e então segue o fluxo

para retornar ao condensador e trocar calor com o fluído de refrigeração novamente.

Figura 2.12 – Componentes de uma torre de resfriamento

Fonte: https://www.solucoesindustriais.com.br/empresa/entidades-diversas/alpina-

termoplasticos-ltda/produtos/refrigeracao-ventilacao-e-exaustao/torre-de-resfriamento-

tratamento-de-agua, acessado em 11/09/2019.

Voltando para o condensador, a água sofre um novo processo de troca de calor

e aumenta sua temperatura. No entanto, o fluído de refrigeração é resfriado no processo e

vai então para o dispositivo de expansão, que pode ser de várias formas que atendam os

requisitos e particularidades de cada sistema. Os tipos mais encontrados são:

Tubo capilar

Válvula de expansão termostática

Válvula de expansão automática

Válvula de expansão eletrônica

Todos esses dispositivos tem como função expandir o gás para que este perca

pressão e mude de fase (vapor+liquído). Contanto, alguns destes conseguem controlar o

fluxo de refrigerante na entrada do evaporador, para que consigam regular os setpoints de

saída do gás superaquecido do evaporador. Onde a VEA (válvua de expansão automática),

24

controla o setpoint de pressão de saída válvula, adequando-se as mudanças de carga

térmica no evaporador. Já a VET (válvula de expansão termostática) se utiliza de outra forma

para poder controlar o fluxo de refrigerante para atender variações de carga térmica do

evaporador, pois a VET possuí um diafragma que é responsável por identificar as pressões

de saída da válvula (adequando internamente à pressão do evaporador) e de saída do

evaporador, podendo assim identificar o balanço de superaquecimento do evaporador por

meio da pressão de saída do mesmo, regulando o fluxo de refrigerante condizente a cada

demanda.

Por fim, temos a VEE (válvula de expansão eletrônica) que tem a mesma

funcionalidade das mencionadas anteriormente, porém trabalha com um algoritmo

alimentado por sensores que indicam as temperaturas e pressões de saída do evaporador,

para assim equalizar o fluxo de fluído refrigerante na entrada do mesmo, sendo a mais

utilizada nos chillers atuais.

Após passar pelo dispositivo de expansão, agora temos o fluido de refrigeração

escoando em direção ao evaporador e mudando sua fase ao fim da troca de calor. Este

alcança a fase de vapor superaquecido e o fluído de refrigeração secundário (água), é então

resfriada e segue para os fan-coils (unidades condicionadoras de ar interno). Esse tipo de

equipamento trabalha sempre em conjunto com sistema de resfriamento secundário, já que

o fluído de refrigeração empregado na troca de calor com o ar interno, será a água. A água

passa por dentro por dentro da unidade, trocando calor com o ar em movimento, com

configuração de trocador podendo variar de acordo com a finalidade e difusão necessária. A

respeito da difusão, esse tipo de equipamento pode ser bem versátil pois conseguem ter

modelos de insuflamento de várias formas difentes, como por exemplo: Hi-wall, Cassete,

Built-in. Assim como pode ser uma unidade mais robusta para atender um ambiente de carga

térmica elevada, sendo empregados no próprio conjunto de ramais de dutos. Vale ressaltar,

que a importância do equipamento vai além da simples troca de calor entre o fluído de

refrigeração (advindo da unidade evaporadora do chiller) e o ar interno do ambiente, já que

o ar é succionado com auxílio de um ventilador (fan) e então passa por um processo de

filtragem até poder passar para o trocador de calor.

Um outro componente auxiliar que tem enorme importância em todo o

processo, é a bomba de circulação de água gelada, sendo este o elemento que proporciona

o escoamento da água recém saída da unidade evaporadora do chiller, para a entrada dos

fan-coils, por meio da rede de tubos de distribuição de água gelada.

Bombas são máquinas geratrizes cuja finalidade é realizar o deslocamento de

um líquido por escoamento. Sendo uma máquina geratriz, ela transforma o trablaho

mecânico que recebe para seu funcionamento em energia, que é comunicada ao líquido sob

25

as formas de energia de pressão e cinética (MACINTYRE, 1997). Os tipos de bombas podem

ser definidas em três grandes grupos, são elas: bombas de deslocamento positivo,

turbobombas ou hidrodinâmicas e as bombas especiais. A seguir, vamos falar um pouco

mais sobre cada tipo, focando na aplicação condizente à análise desse presente trabalho.

Bombas de deslocamento positivo

As bombas volumétricas ou de deslocamento positivo são aquelas em que a

energia é fornecida ao líquido sob a forma de pressão, não havendo portanto a necessidade

de transformação como no caso das bombas centrífugas. Assim sendo, a movimentação do

líquido é difretamente causada pela movimentação de um órgão mecânico da bomba, que

obriga o líquido a executar o mesmo movimento de que ele está animado. O líquido,

sucessivamente, enghe e depois é expulso de espaços com volume determinado no interior

da bomba (MATTOS, 1998).

Esse tipo de bomba, possui características particulares em questão de princípio

construtivo e de funcionamento, que propiciam uma gama diferente de aplicações e

condições para a operação de tais. Sendo assim, elas são conhecidas por proporcionar o

movimento e deslocamento do fluído através de quantidades constantes para cada ciclo de

rotação executado pelo eixo do equipamento. Podendo variar de acordo com a aplicação e

princípio construtivo de cada bomba, portanto algumas utilizam dispositivos diferentes para

realizar o processo descrito anteriormente, sendo os principais: palhetas, pistões,

engrenagens, parafusos, lóbulos e alguns outros. Fazendo com que o fluído seja admito e

expandido no interior da bomba e depois seja forçado pelos elementos outrora descritos e

seja assim direcionado para a descarga da bomba. Os principais tipos de bombas de

deslocamento positivo, variam entre as do tipo alternativas e as rotativas.

Figura 2.13 – Subdivisões das bombas de deslocamento positivo

Fonte: (MATTOS, 1998).

26

As bombas alternativas (figura 2.14) conseguem que o fluído escoado preencha

os espaços internos da bomba, para que seja então expelido pelo movimento do pistão que

vai aplicar forças de igual direção em relação ao fluído. Quanto a aspiração do fluído, sabe-

se que o movimento do pistão confere uma diferença de pressão interessante ao processo

de aspiração e descarga do fluído, pois a câmara passa a ter uma pressão menor que a do

reservatório de sucção e então propicia a diferença de pressão para a abertura da válvula

de sucção, deixando a válvula de descarga fechada. Já quanto ao processo de descarga do

fluído, o movimento conferido pelo pistão faz com que o mesmo passe pelo corpo da bomba

impulsionado pelo movimento do pistão que proporciona a abertura da válvula de descarga.

Ainda existem as bombas de deslocamento positivo do tipo rotativo, esse tipo de

equipamento recebe na verdade um nome que abrange uma série de bombas com ação de

trabalho hidráulico viabilizado por meio de movimento rotacional de elementos designados.

Portanto, elas podem ser divididas com base nos elementos rotantes empregados. Algumas

das principais são (figura 2.15), as bombas de engrenagens, lóbulos, parafusos e palhetas.

E é graças a esse princípio construtivo e forma de funcionamento, que essas bombas

conseguem atuar com uma gama de viscosidade de fluídos bem diversificada, atingindo uma

faixa de até 50000 SSU.

Tabela 2.1 - Figura esquemática de limites e parâmetros usuais em tipos de bombas rotativas.

TIPO (rotativas) BOMBAS DE ENGRENAGEM BOMBAS PARAFUSO BOMBAS DE PALHETAS

VAZÃO (m³/h) 148 á 1100 23 á 910 até 86

PRESSÃO LIMITE

(psig) 400 3000 2500

VISCOISIDADE

MÁXIMA (SSU) 5.000.000 100.000.000 100.000

ROTAÇÃO (rpm) 1800 3500

1200 (para aplicações

com até 500 SSU de

viscosidade)

APLICAÇÕES

USUAIS

Bombeamento de produtos

viscosos, como em na estocagem

de produtos de petróleoe sistemas

de lubrificação de grandes

máquinas

Bombeamento de fluídos

viscosos, porém com

possibilidade de operação em

maiores rotações e vazões,

como em aplicações de

oleodutos

Aplicações restritas a

fluídos viscosos de alto

valor lubrificante, para

sistemas de lubrificação

Fonte: Elaborado pelo autor.

27

Figura 2.14 – Esquematização dos principais tipos de bombas alternativas.

Fonte: (MACINTYRE. 1997).

28

Figura 2.15 – Exemplificação de bombas rotativas de variados tipos.


Turbobombas ou bombas dinâmicas

Esse tipo de bomba tem como princípio de funcionamento, a transmissão de

energia mecânica para o fluído por meio de um rotor (também conhecido como impelidor),

ou seja, a movimentação do fluído é produzida a partir da rotação desse dispositivo com um

número de pás variando de acordo com o impelidor e a carcaça. Sendo assim, os diferentes

tipos de turbobombas variam de acordo com a forma que o impelidor interage, cedendo

energia mecânica ao fluído, bem como na forma com que o fluído sai pelo mesmo. Entre os

tipos de turbombombas, podemos dividi-las em quatro outros tipos de bombas, que são as

centrífugas, de fluxo axial, de fluxo misto e por fim as periféricas ou regenerativas. As bombas centrífugas recebem esse nome, pois a transformação de energia

conferida ao fluído dentro da câmara interna da bomba se dá por meio da força centrífuga

(que puxa o fluído para o centro em um movimento circular). Esse tipo de equipamento é o

mais utilizado comercialmente, devido a versatilidade e faixa de abrangência em aplicações,

sendo uma bomba de princípio construtivo simplificado. O mesmo princípio, faz com que a

bomba centrífuga necessite ser escorvada previamente (o fluído necessita estar presente no

interior da carcaça da bomba) ao funcionamento. Portanto o ar não pode ser expelido pela

bomba, já que existem folgas entre rotor, carcaça e coletor. Sendo assim, o ar só é eliminado

quando existe uma diferença de pressão entre o interior da carcaça e o fluído do reservatório,

esse diferencial proporciona a saída de ar do sistema. O movimento de rotação executado

pelo rotor em virtude do fluído conduzido pelas pás do mesmo, gera uma força centrífuga

29

que por sua vez proporciona um gradiente de pressão no rotor como um todo. O gradiente

de pressão mencionado tem uma configuração, tal que a zona de maior pressão se localiza

nas extremidades e a de menor pressão se localize no centro do rotor (na entrada), sendo

este o motivo pelo qual o fluído se direciona para a saída do rotor e para à boca de recalque

da bomba. Em outras palavras, essa diferença de pressões gerada pelo movimento de

rotação, entre a entrada do rotor (interior da bomba) e o reservatório em que está contido o

fluído. Concede o escoamento do fluído pelo canal de aspiração do equipamento.

As bombas desse tipo possuem pás cilíndricas (simples curvatura), com

geratrizes paralelas ao eixo de rotação, sendo essas pás fixadas a um disco e a uma coroa

circular (rotor fechado) ou a um disco apenas (rotor aberto, para bombas de água suja e

esgotos, na indústria de papel e celulose e na petroquímica) (MACINTYRE,1997). Percebe-

se então que as áreas de aplicação ao qual se submetem esses equipamentos, estão

diretamente relacionados com o dispositivo difusor empregado. No caso de outras

aplicações, restritas por condições de viscosidade, presença de sais, oxidantes, sólidos em

suspensão, entre outras particularidades de cada fluído a ser bombeado. Além do caso da

bomba centrífuga radial, existe um outro conjunto de bombas mais específicas, que são as

do tipo Francis. Essas bombas possuem um rotor com palhetas do tipo de Francis (tais quais

as turbinas com palhetas Francis), que conferem maior desempenho pelo fato das palhetas

possuírem curvatura em dois planos de atuação.

Tabela 2.2 – Figura esquemática de limites e parâmetros usuais em tipos de bomba centrífugas.

TIPO

(centrífugas)

CENTRÍFUGAS

HORIZONTAIS, SUCÇÃO

AXIAL, ROTOR EM

BALANÇO

HORIZONTAIS COM

CARCAÇA PARTIDA

AXIALMENTE, ROTOR

DE DUPLA SUCÇÃO

HORIZONTAIS DE

MÚLTIPLOS

ESTÁGIOS

VERTICAIS DE

MÚLTIPLOS

ESTÁGIOS

VAZÃO LIMITE

(m³/h) 1000

1500 (voluta simples) e

45000 (voluta dupla) 600 30000

ALTURA

MANOMÉTRICA

(m)

220 150 1200 400

ROTAÇÃO (rpm) 1750 a 3550 1750 a 3550 1750 a 3550 1750 a 3550

APLICAÇÕES

USUAIS

Aplicação em indústrias de

processos e outras

Aplicações em

abastecimento de água,

recirculação de água de

resfriamento

Aplicações em

alimentação de

caldeiras, serviços de

alta pressão

Aplicação em

extração de

água de poços

profundos


30

Figura 2.16 – Bomba centrífuga em corte com impelidor transversal e entrada normal à saída.


Figura 2.26 – Bomba centrífuga com seus componentes descritos.

Fonte: (MACINTYRE, 1997).

31

Outra turbobomba com uma gama aplicações interessantes são as bombas de fluxo misto, o fluxo de entrada do fluído no rotor é axial, com curvatura da extremidade

de palheta do rotor inclinada para com o eixo. Onde o bordo das pás é de dupla curvatura e

o bordo de saída é paralelo ao eixo. Sendo assim, a saída do fluído se dá por um plano

perpendicular ao bordo de saída com o eixo. Contanto, o nome fluxo misto se deve a

característica de transmissão de energia de pressão ao fluído, já que no caso anterior,

tínhamos bombas que conferiam essa energia por meio da ação da força centrífuga por

exclusividade. Já no caso das bombas de fluxo misto, existe também o componente da força

de arrasto agindo no fluído em movimento.

Figura 2.17 – Rotor com pás curvadas para o centro do rotor, usado em bombas de fluxo misto.

Fonte: (MACINTYRE,1997).

Ainda dentro do grupo de bombas de fluxo misto, existem as bombas semi-

axiais que possuem uma geometria de rotor um pouco mais distinta em comparação as

outras bombas de fluxo misto. Estas possuem um bordo de pás curvas, em formato de hélice

cônica, reversa, com superfície duplamente curvada. Garantindo um bordo de saída

inclinado suficientemente em relação ao eixo, com rotor em formato cônico. Isso confere uma

faixa de operação de grande descarga, porém limitações quanto à altura de elevação de

fluído.

Prosseguindo com a análise dos tipos de turbobombas, chegamos pôr fim às bombas axiais que conduzem o fluído por meio das pás de rotor em paralelo com o eixo

adotado e se sua geometria se altera para uma configuração de hélices cilíndricas, que

conduzem à formação de um movimento de vórtices forçados. Sendo assim, estas

diferentemente das bombas centrífugas, conferem energia cinética ao fluído por meio de

forças de arrasto (teoria de vórtices forçados, ou teoria da sustentação). Portanto, consegue-

se uma vazão de saída elevada se consideradas as cargas fornecidas para a realização de

trabalho no fluído. Vale ressaltar, que esse tipo de equipamento possui saída de fluído

sempre paralela ao eixo de trabalho, podendo ter diversos modos construtivos com eixo

vertical, inclinado ou até mesmo no sentido horizontal.

32

Tabela 2.3 – Parâmetro de velocidade específica em função do tipo de bomba em função de vazão,

altura manométrica e rotação.

Fonte: (MATTOS,1998).

Figura 2.18 – Esquematização e terminologia de uma bomba axial, com eixo vertical padrão, em

acordo com a norma brasileira ABNT NBR 10131:2015.

Fonte: (MACINTYRE, 1997).

33

Tabela 2.4 – Parâmetros de operação em Q (vazão), H (carga) com relação ao tipo de bomba.


3. Sistema de refrigeração chiller do natal shopping

Os sistemas de grande porte ou sistemas necessitam de algum tipo de controle

rigoroso de temperatura, umidade e filtragem, tais como ―shopping centers, ―data centers,

[...], geralmente são utilizados sistemas de expansão indireta, também chamados de

sistemas de água gelada. Nos sistemas de água gelada o equipamento de refrigeração é

instalado em uma área da edificação, chamada de Central de Água Gelada (CAG). A central

de água gelada incorpora equipamentos denominados de ―chillers que produzem o

resfriamento da água. A água gelada, produzida nos ―chillers, é bombeada e distribuída,

por uma rede de tubulações, para todas as áreas que serão condicionadas como estas

tubulações transportam água gelada são isoladas termicamente. No sistema de água gelada,

o resfriamento do ar é realizado por outros equipamentos denominados de ―fan-coils, que

são compostos por um ventilador que realiza a movimentação do ar e por uma serpentina na

qual circula a água gelada, os equipamentos ―fan-coils podem ser de grande porte,

instalados em casas de máquinas e com a distribuição do ar por dutos ou, ainda, podem ser

aparentes de pequeno porte. (THEMOPRESSAR,2014).

No natal shopping como um todo, faz-se uso de um sistema de refrigeração

composto por chillers para áreas de convivência comum à circulação de clientes (mall), além

do uso de selfs contained para climatização da área física destinada à administração do

shopping. Baseado nessa ampla faixa de ativos pertencentes ao shopping, sabendo

também, que não existe mão de obra suficiente para o controle e gestão desses ativos, uma

empresa terceirizada (Ecogen) detém a função de manutenção e controle dos dados

referentes ao funcionamento dos chillers. Os profissionais dessa empresa foram

34

responsáveis por me passar todo o conhecimento relativo ao controle operacional, assim

como em relação à disposição e função dos dispositivos presentes no sistema. Dentre as

rotinas operacionais, destaca-se o acionamento do equipamento, que é feito por meio de um

software. Proporcionando ao operador, uma gama de informações relativas ao

funcionamento de cada equipamento (como por exemplo, pressão de óleo no compressor,

vazão de ar pelo fan, temperatura do ar de recirculação, entre outros inúmeros fatores

relativos aos outros dispositivos componentes do sistema).

Quanto aos chillers presentes no Natal Shopping, sabe-se que estão confinados

em uma área técnica localizada em uma área com nível mais baixo em relação ao primeiro

piso do mall. Assim como as bombas de circulação de água gelada e de condensação, que

estão também presentes nessa área técnica. Com relação aos chillers, sabe-se que são

quatro equipamentos, sendo dois do tipo dois passos com potência de 400 TR. Onde este

possui uma configuração diferente, em que as tubulações de entrada e saída ficam somente

em uma lateral da máquina (figura 3.1), proporcionando maior facilidade na manutenção.

Existe ainda, o chiller de um passo (figura 3.2) com potência de 388 TR e por fim o chiller

com associação de compressores (Figura 3.3), que se trata de um equipamento mais antigo

que fica em stand-by, para suprir alguma necessidade ou emergência.

Figura 3.1 - Chiller de dois passos/ tubulações de entrada e saída


35

Figura 3.2 – Chiller de um passo


Figura 3.3 – Chiller de quatro compressores


3.1 Componentes do sistema chiller Sabe-se que ao contrário do conjunto evaporador, o condensador é usado em um

circuito aberto de água, ligado às torres de resfriamento. Contanto tem-se o problema

relacionado à formação de incrustação no interior dessa tubulação. Quanto a torre de

resfriamento, esta é responsável por resfriar água, que troca calor para o ar externo e

novamente retorna ao condensador para retirar calor do fluido refrigerante, fazendo com

que haja a mudança para a fase líquida.

Na realidade do natal shopping, existem quatro torres de resfriamento mais

antigas (figura 3.4), com potência de 400 TR, que são feitas de alvenaria, com

configuração que facilita a manutenção, ao contrário das novas torres de

36

resfriamento da expansão (figura 3.5). Tendo como principal deficiência, uma

dificuldade operacional vigente em questão da realização de manutenções, já que

são fechadas.

Figura 3.4 e 3.5 – Torres de resfriamento em alvenaria e novas torres de resfriamento da

expansão.

Alguns outros componentes secundários, mas não menos

importantes, foram listados em imagens. Como por exemplo, as bombas de

água de condensação e circulação de líquido, mostradas por meio das Fig.

3.6 e 3.7.

Figura 3.6 Bombas de água de condensação e circulação (BACCs)


37

Figura 3.7 – Bombas de água de condensação (BACs)


Alguns equipamentos extremamente importantes no processo de controle

operacional, também foram registrados, como é o caso dos termopares, onde dispomos de

dois tipos, os mais modernos de tomada em pontos da tubulação de entrada e outros

baseados no termômetro de mercúrio padrão. Outros componentes de controle operacional

que se tornam imprescindíveis são, válvula de controle, atuador e termostato, onde estes

têm como função, controlar a temperatura através do ajuste da vazão de água. Em uso nos

chillers existem válvulas motorizadas de bloqueio com atuadores de ação ‘on-off’ ou ‘uma

via’, na qual só tem a opção de abrir ou fechar. Já nos fancoils existem válvulas de 3 vias,

de ação proporcional com interligação entre os termostatos que possibilitam as palhetas ir

fechando fatiadamente, podendo controlar o fluxo de água gelada e consequentemente a

temperatura de refrigeração, conferindo a opção por inverter o fluxo no equipamento.

3.2 Funcionamento do sistema O acionamento das bombas de água condensada e água gelada, se dá por

meio do software WellCare. O mesmo aciona o chiller e as bombas primárias e

secundárias. Onde a água desce das torres e então entra no chiller por meio da

tubulação de água condensada, onde por sua vez, a água será aquecida até

aproximadamente 35ºC, fazendo com que a mesma suba até a torre de

resfriamento que irá pulveriza-la (para aumentar a área de contato e assim facilitar

a troca de calor com o ar). Então a água segue para o chiller pela bomba primária,

nesse momento a água passa pela condensadora do chiller, que contém um

trocador de calor de duzentos canos de cobre, com até três passes. O fluído

38

refrigerante do sistema é o R-134A que tem como função a troca de calor com a

água que está passando pela tubulação, essa água sai pela tubulação e irá se

juntar com a água do outro chiller de um passo, os dois chillers estão ligados em

paralelo, e assim depois dessa junção vai para a tubulação que segue para bomba

secundária e essa manda a água para os fancoils.

Os compressores do chiller de um passo são herméticos do tipo parafuso

com deslocamento positivo e velocidade variável.

Quanto as bombas, existem sempre destinadas três bombas (figura 3.12)

para alimentar um chiller, uma delas fica em stand by caso haja necessidade de

abastecer a bomba um ou dois por falhas, a tubulação fica interligada na bomba

um e dois, quando se abre o registro da bomba três, que fica em stand by, ela

alimenta a bomba que está com defeito e não está funcionando. Existe também um

rodízio de bombas, que é adotado para que todas estejam em funcionamento,

mudando apenas a periodicidade de um pra outro, no caso no chiller de dois passos

(não-automatizado), o rodízio tem uma periodicidade de 15 dias.

4. Estudo de caso e aplicação de metodologia

Durante o período em que estive trabalhando como estagiário no setor de

manutenção, tive a oportunidade de acompanhar um estudo de caso referente a um

problema de vazamento de bombas centrífugas de condensação (figura 4.1) de uma CAG

(central de água gelada). Partindo desse estudo de caso preliminar, essa parte do trabalho,

consiste em atribuir conceitos e metodologias de projeto, em busca do princípio de solução

especificado. Sendo esse, feito com análise nos parâmetros de projeto do equipamento,

condições específicas e definição de configuração material. Baseando o trabalho de

aplicação das metodologias no conceito de Simultaneous Engeneering, sendo este centrado

no trabalho objetivo, integral e flexível. Onde o foco, está ligado à diminuição do tempo de

desenvolvimento de projeto e busca por soluções. Quanto ao problema apresentado durante

o funcionamento dos equipamentos, constatou-se um vazamento característico, de forma

efusiva pelo selo mecânico dos equipamentos, onde desparafusamos as juntas de entrada

axial e radial do rotor e começamos a desmontar cada parte da carcaça que nos

proporcionou maior facilidade em identificar como o vazamento estava ocorrendo. Logo

abaixo, fiz alguns registros fotográficos (figuras 4.2, 4.3, 4.4 e 4.5) que facilitam a

visualização dos componentes envolvidos e dos procedimentos adotados.

39

Figura 4.1 – Bomba centrífuga de condensação.


Figura 4.2 – Desmontagem do acoplamento bomba/motor elétrico e juntas


40

Figura 4.3 – Desmontagem do rotor/ junta radial/ Figura 4.4 – Entrada axial do rotor desmontado


Figura 4.5 – Acoplamento bomba /motor elétrico desmontado.


Lista de requisitos para problema

Após uma concepção inicial das funcionalidades do projeto, performance e

especificações restritivas, chegamos à um ponto chave no desenvolvimento do projeto.

Sendo assim, algumas questões começam a ser listadas e consideradas para as próximas

41

etapas de esclarecimento do problema. As tarefas constituintes dessa fase são as

identificação das especificações que influenciam na solução, configuração e arranjo do

sistema, bem como a formulação e documentação das especificações e indicações

quantitativas. Todas essas tarefas nos levam até a um documento que nos fornecem todas

as informações relevantes para a concepção da solução.

Natal

BRLista de requisitos de uma bomba centrífuga de aspiração axial

Folha 1

Página 1

E (exigência)/D (desejo) Requisitos Responsável

E

E

E

E

E

E

D

E

E

E

E

E

E

Geometria:

Diâmetro efetivo do rotor - 287 mm.

Diâmetro nominal do rotor - 315 mm.

Eixo escalonado com diâmetros variando de 50 a 60 mm.

As flanges são PN 16 de dimensões em conformidade com EN 1092-2.

Número de pás do rotor: 6 (Já que o ângulo de inclinação do bordo de saída

das pás é de 20º, de acordo com Carlo Malavasi).

Carcaça em formato de caracol (voluta), com diâmetro de recalque 100 mm e

diâmetro de sucção em 125 mm (axial).

Cinemática:

Mudança na frequência rotacional do eixo da bomba adequada à vazão de

refrigerante no condensador.

Vazão volumétrica nominal (caudal): 206 m³/h.

Frequência de rotação em minutos: 1750 rpm.

Forças:

Carregamento da união cubo-eixo submetido somente à torção pura, ou

seja livre da ação de momento fletor e esforço cortante ( PAHL, 2005).

Deverá ser possível atingir a deformação plástica e a possível destruição da

união (PAHL,2005).

Eixo deve suportar sem avarias ou desalinhamentos, as vibrações

resultantes do movimento rotativo.

Empenamento resultante da montagem caixa de gaxeta e eixo, não deve ser

maior que 1,5 grau (MACINTYRE,1997).

Allan Vieira

42

Natal


Folha 1

Página 2


E

E

E

E

E

D

E

E

D

E

E

E

D

Energia:

Potência elétrica necessária ao funcionamento: 37 kW (50 cv).

Tensão necessária ao funcionamento: 380/660V.

Corrente nominal: 70,6/40,7 A.

Ligação "estrela-triângulo" (Y-Δ).

Material:

Corpo da bomba: Ferro fundido/ASTM A48-40 B.

Rotor: EN-GJL-200/ASTM A48-30 B (Aço inoxidável).

Elemento vedante: Borracha EPDM.

Anel de desgaste: Bronze (CuSn10).

Eixo: Aço inoxidável. (D)

Sinal:

Variáveis a serem medidas:

Vazão no recalque da bomba centrífuga

Pressão superficial ao longo do comprimento e da chaveta

Pressão de operação do equipamento

Fácil acesso aos pontos de medição (PAHL, 2005).

Allan Vieira

43

Natal


Folha 1

Página 3


E

D

E

D

E

E

D

E

E

D

D

E

Segurança e ergonomia:

Operação da bomba automatizada. (E)

Utilização de inversor de frequência. (D)

Princípio de trabalho deve levar em conta, condicionantes ambientais

(baixo ruído, baixos níveis de vibração). (E)

Utilização de soft starter para prevenção de choques elétricos. (D)

Manufatura e controle:

Primar pela utilização de peças padronizadas, com intercambiabilidade

simplificada por componentes presentes no comércio. (E)

Manufatura separada de todos os componentes. (E)

Usar grau de qualidade de usinagem 8 para união cubo-eixo. (D)

Utilizar batimento radial e axial ao eixo vislumbrando os assentamentos dos

rolamentos com relação à linha de centro do eixo, não sendo maior que 1

centésimo. (E)

Montagem e transporte:

Realizar montagem da união cubo-eixo, com folga grande em relação ao

fundo do rasgo no eixo e com ajuste interferente nas laterais. (E)

Utilizar ajuste indeterminado para montagem dos rolamentos junto ao eixo,

com tendência leve para interferência, devido a ação de cargas rotativas

relativamente elevadas. (D)

Montagem dos aneis de retenção e vedagem com ajuste deslizante para

impedir a perda de água na junção da caixa de gaxeta e eixo. (D)

O conjunto bomba-motor elétrico deve ser montado em uma base plana

com altura não superior a 30 centímentros do solo. (E)

Allan Vieira

44

Tabela 4.1 – Determinação de folga diametral e tolerância dimensional de acordo com o diâmetro

do anel de desgaste adotado.

Fonte: MATTOS,1998.

Natal


Folha 1

Página 4


E

E

E

D

E

E

D

D

Uso e manutenção:

Peças sujeitas a desgaste, em baixa escala.

Fácil acesso do conjunto bomba-motor.

Juntas parafusadas vertical e horizontal (entrada axial) com torque aplicado

por igualdade e aperto/afrouxamento cruzado, direcionado para o centro da

junta.

Inspeção do empeno do conjunto rotativo eixo-rotor não pode ultrapassar

0,038 mm (MATTOS,1998).

Valores de folga diametral para anéis de desgaste definidos de acordo com

a tabela 4.1.

Aneis de retenção quanto ao ajuste no eixo especificados pelas tabelas 4.2 e

4.3.

Plano de manutenção, operação e controle para o conjunto deve

especificado antes do início de operação dos componentes.

Verificação mensal das condições do conjunto carcaça e rotor.

Allan Vieira

45

Tabela 4.2 – Referência de variação de tolerância dimensional com relação ao diâmetro interno do

anel retentor e eixo.

Fonte: MATTOS,1998.

Tabela 4.3 – Referência de tolerância dimensional entre diâmetro externo do anel retentor e caixa.

Fonte: MATTOS,1998.

Estrutura de função Entre as etapas de elaboração da lista de requisitos, que representa o princípio

de isolamento de projeto, chegamos ao próximo ponto que consiste na identificação dos

principais problemas intrínsecos as condições e parâmetros de projeto. Como princípio de

funcionamento de uma bomba centrífuga, temos algumas informações relevantes no que diz

respeito a operação e função do equipamento. Este será empregado, no processo de conferir

energia de pressão para o fluído de resfriamento secundário (água) que entra pela bomba e

é acelerado (tem sua energia cinética aumentada) quando entra pelo rotor (elemento

difusor). Sendo assim, o princípio físico existente é o de transformação de energia cinética

em energia potencial de pressão para realizar o deslocamento do fluído de um ponto com

altura negativa (ponto na linha de sucção) em relação ao reservatório superior (torre de

resfriamento). Portanto, se fizermos uma abordagem ampla de toda a compreensão de

funcionamento do equipamento teremos diversas funções desempenhadas pelos mais

46

diversos componentes. Sendo assim podemos dividir suas tarefas realizadas e ordena-las

como funções derivadas de uma função abrangente (função global de funcionamento do

equipamento), uma analogia correta nos levaria a considerar as funções primárias de “encher

a carcaça da bomba com água, antes de ligar o equipamento (escorva)”, “rotacionar o eixo”,

“admitir fluído pelo orifício do rotor” e assim por diante. Então teremos funções constituintes

de uma função global (conferir energia cinética ao fluído e transformar em energia potencial

de pressão, bombeando-o até o reservatório superior). Podemos agora iniciar a elaboração

da estrutura de função, iniciando por meio da formulação do problema global (figura 4.6).

Essa formulação pode ser compreendida como um fluxo material de água que é succionada

ininterruptamente para um dispositivo que rotaciona já que está unido ao eixo, então a água

entra pelo rotor e têm sua velocidade aumentada (aumento da energia cinética do fluxo de

material), já que o fluído é succionado axialmente e é direcionado pelas palhetas do rotor

para a periferia (força centrífuga), onde esse princípio é explicado pelo gradiente de pressões

existentes entra sucção (menor pressão) e extremidades (maior pressão). Após a saída da

extremidade, o fluxo material de água se direciona até a voluta (parte constituinte da bomba

em formato característico de “caracol”), onde o mesmo tem sua energia cinética convertida

em energia potencial de pressão (princípio explicado pela diferença de pressão entre

recalque e sucção) por meio da geometria da voluta, que tende a desacelerar o fluxo de

material e aumentar sua energia potencial.

Figura 4.6 – Formulação do problema e função global de acordo com a lista de requisitos.


Formulação do problema: Fluxo material de água que é “succionada”,

“acelerada até uma velocidade variável”,

“desacelerada e pressurizada”, com vazões de

entrada e saída controladas pela frequência de

“rotação” do eixo acoplado ao rotor.

Funções:

Succionar

Acelerar

Desacelerar

Rotacionar

S

A

D

R

Fluxo de material

Fluxo de sinal

Energia

Fronteira do sistema

BOMBEAR

ÁGUA

Índices e simbologia: Pb, Pa, Vb,

Va.

P - Pressão

V - Velocidade

a – Alta

b – Baixa

Pb,

Vb Pa,

Vb

Inf. Grau de Pa

47

Depois de elaborada a formulação do problema e definição da função global

simplificada, podemos elaborar a função global detalhada com a presença das subfunções

presentes e os fluxos de material, energia e sinal compreendidos.

Figura 4.7 – Função global expandida da bomba centrífuga.


Como já possuímos um equipamento específico definido para a aplicação

requerida, trabalhamos com uma formatação mais difundida e econômica, nos projetos do

tipo. Contanto, essa abordagem inicial nos serve de base para compreender a interação das

subfunções intrínsecas ao funcionamento, levando sempre em consideração os tópicos

delimitados pela lista de requisitos. Com isso, podemos abordar outras subfunções

individualizadas, simplificando cada qual com sua particularidade. No entanto, pretendo

restringir a análise deste presente trabalho ao estudo de caso (que por sua vez, pode ser

compreendido como uma subfunção da função global expandida da figura 4.7) citado

anteriormente. Sendo assim, voltamos novamente à análise do vazamento de água (fluído

de resfriamento secundário) pela conexão entre carcaça e voluta, portanto chegamos à

subfunção vedação. Essa subfunção por sua vez ficará responsável por restringir o fluxo

material de água, portanto fiz uma análise de funcionamento do sistema e percebi que a

subfunção vedação deve receber o fluxo material das funções que ocorrem com contato da

conexão carcaça e voluta (conjunto eixo-rotor). Chegando à configuração mostrada por meio

da figura 4.8.

Diminuir

corrente

i, tensão

E1 Energia elétrica

= Converter E’1

Emec,rot

= Transmitir E’1

R

S

Água Pb,

Vb

A E2,Va,P

b Energia cinética = E2

D

Energia potencial,pressão =

E’2

E’2,Vb,P

a

48

Figura 4.8 – Subfunção vedação, recebendo fluxo material das funções rotacionar, acelerar e

desacelerar.


Nos casos comuns à construção de estrutura de funções, nota-se que as

possibilidades configuração são maiores do que as já apresentadas. Contudo vale lembrar,

que as entradas de sinal estão sempre ligadas à variação de frequência do eixo de rotação

do motor elétrico, que por consequência é transmitida para o eixo da bomba, ou seja, toda a

sequência de sinais se resume ao uso de um equipamento externo emissor (podendo ser o

inversor de frequência, como se é ressaltado na lista de requisitos). Já com respeito às outras

possíveis mudanças em configuração de etapas ou inversão de funções, optei por não

realizá-las, pois o projeto e funcionamento do equipamento são pré-determinados, como já

fora mencionado.

Busca de principio de solução

Entre as maneiras mais comuns e convencionais na busca dos princípios de

solução, os métodos estarão atrelados às ferramentas convencionais de pesquisa

bibliográfica, análise de outros sistemas similares conhecidos, métodos de brainstorming,

bem como o uso de catalógos e ordenamento sistemático de soluções por princípios de

funcionamento. Nessa etapa de concepção do princípio de solução, costuma-se utilizar uma

compilação dos métodos outrotra citados para se obter as melhores avaliações de princípios

possíveis. Sendo estes, conectados com as subfunções específicas com cada caso.

Portanto, quando definimos princípios de solução para uma subfunção constituinte da função

global, estamos na verdade definindo um configuração que altera o problema como um todo,

mas que propõe a resolução da tarefa de uma maneira mais otimizada.

Diminuir

corrente

i, tensão

E1 Energia elétrica

= Converter E’1

Emec,rot

= Transmitir E’1

R

S

Água Pb,

Vb

A E2,Va,P

b Energia cinética = E2

D

Energia potencial,pressão = E’2

E’2,Vb,P

a

Vedação

49

Tabela 4.4 – Relação de simbologia e tipos de função.

Fonte: (PAHL,2005).

Figura 4.9 – Princípios de solução ligados as devidas subfunções estabelecidas.


Seleção dos principios de funcionamento

A seleção dos princípios de funcionamento adequados ao funcionamento do

TRF 1 2 3 4 5 6 7 8

1Diminuir

corrente

Elétrica

Elétrica

Inversor de

frequência

Soft starter

Ligação estrela-

triângulo

Partida

compensadaLigação direta

2 Transmitir

Mecânica

Mecânica

Articulação por

barras

Roscas de

transmissãoEixo-Cubo

Pinhão-

cremalheira

Correias de

transmissão

Alavanca

3 Converter

Mecânica

Elétrica

Motor elétrico 4

pólos

Motor elétrico 2

pólos

Eletroimã Estricção elétrica Estricção

magnética

4Rotacionar/

Acelerar

Hidráulica

Mecânica

Rotor aberto Rotor fechado Rotor semi-

abertoLóbulos Palhetas Engrenagens Êmbolo Duplo parafuso

5 Desacelerar

Mecânica

Hidráulica

Válvula

reguladora de

fluxo Carcaça-volutaTiristor-válvula

de bloqueio

6 Gaxeta

Gaxeta dupla

com aneis em

EPDM

Selo mecânico

simples

Selo mecânico

de dupla

selagem

Selo duplo de

expansão a gás

Selo mecânico

de dupla

selagem,

multimolas com

vedação em

PTFE

Selo mecânico

de dupla

selagem em

sobre-pressão

Selo mecânico

de dupla

selagem não

pressurizado

Princípio de trabalho

Subfunção

Vedar

50

equipamento, passa sempre pela satisfação das necessidades da lista de requisitos, bem

como em parâmetros de custos aceitáveis. Sendo assim, decidi prezar pelos componentes

comerciais do equipamento do estudo de caso, que é a “NKG 150-125-315/287Y1F2AE-

SBAQE” da marca GROUNDFOS. Portanto, consultei o catalógo técnico da marca e obtive

algumas informações relevantes á individualização do problema chave (estudo de caso) e

avaliação das soluções encontradas previamente.

De acordo com o catálogo do fabricante, se trata de uma “Bomba centrífuga

monocelular não auto-ferrante, em conformidade com EM 5199, de dimensões e rendimento

nominal em conformidade com EM 2858. As flanges são PN 16 de dimensões em

conformidade com EM 1092-2. A bomba tem um orifício de aspiração axial, um bocal de

saída radial e um veio horizontal. Foi concebida segundo o princípio de construção

desmontável pela parte traseira, que permite a remoção do motor, do acoplamento, da caixa

de rolamentos e do impulsor sem causar interferências no corpo da bomba ou na tubagem.

O vedante de fole em borracha não equilibrado cumpre os requisitos da norma DIN EM

12756. A bomba está equipada com um motor assíncrono auto-ventilado, montado numa

base. A bomba e o motor estão montados numa base comum.

Também por meio do catalógo do fabricante, pude ter acesso à outras informações do

equipamento, como:

Vazão volumétrica – 206 m³/h

Rotação – 1750 rpm

Altura manométrica – 35 metros

Corpo da bomba – Ferro fundido/ ASTM A48-40 B

Impulsor – Ferro fundido / ASTM A48-30 B

Anel de Desgaste – CuSn10

Pressão máxima – 16 Bar

Diâmetro efetivo do impulsor – 287 mm

Impulsor Nominal – 315 mm

Diâmetro da seção passante do eixo escalonado – 50 mm.

Além de informações ilustrativas de esquematização dos componentes montados

e do esquema de ligação do motor elétrico padrão (figuras 4.10 e 4.11, respectivamente).

51

Figura 4.10 – Esquematização representativa das dimensões do acoplamento bomba/motor

elétrico.

Fonte: CATALÓGO TÉCNICO GROUNDFOS.

Figura 4.11 Esquema de ligação padrão Y-∆ , do motor elétrico.

Fonte: CATALÓGO TÉCNICO GROUNDFOS.

Sendo assim, de acordo com as informações obtidas e os princípios de solução

encontrados na figura 4.9, podemos nortear a configuração do equipamento e selecionar os

princípios de solução encontrados para a subfunção “vedar”, fugindo um pouco do método

tradicional. Onde este opta por avaliar combinações de princípios para avaliação posterior

de funcionamento completo. Contudo, para a nossa análise não é necessário já que

dispomos das informações técnicas suficientes do equipamento. Nos permitindo focar no

estudo de caso individualizado.

52

Fazendo um estudo dos valores de mercado para os princípios de vedação pré-

selecionados, de algumas marcas atuantes. Cheguei à formulação da tabela 4.5.

Figura 4.12 – Lista de seleção e avaliação dos princípios de funcionamento.


A B C D E

11 + + + + +

12 + + + + -

13 + + + + -

14 + + + + -

15 - - - ? -

21 - - - + -

22 + - - + +

23 + + + + +

24 + - - - +

25 - - - ? -

26 + - - ? -

31 + + + + +

32 + - + + -

33 + + - - -

34 - - - + -

35 - - - - -

41 + - + + -

42 + + + + +

43 + - + + +

44 + - + + +

45 + - + - +

46 + - + + +

47 + - + + +

48 + - + - +

51 - - + - +

52 + + + + +

53 - + + - -

61 + - + + +

62 + - + + +

63 + + + + +

64 + + + + +

65 + + - - +

66 + + + - +

67 + + - - +

68 + + + + +

Lista de seleção e avaliação de princípios de funcionamento

Solu

ção

de a

cord

o co

m o

núm

ero

defin

ido

- [lin

ha][

colu

na]

Compatível com o problema proposto

Satisfeitas as exigências da lista de requisitos

Em princípio realizável

Custo aceitável

Avaliar solução conforme os critérios definidos á baixo:

Sim (+)

Não (-)

Informações insuficientes (?)

Verificar lista de requisitos (!)

Atende diretamente às medidas de segurança

Observações

Custo inicial elevado, porém compensado à longo prazo

Submete a bomba à picos de tensão e corrente da linha

Tal como no equipamento estudado

Níveis de vibração e combinação de princípios inviáveis

Motor WEG PLUS 22, utilizado

A longo prazo se torna inviável para combinação de princípios

Atendem ao problema proposto, mas descaracterizam o

produto como bomba centrífuga

Rotor aberto diminui a eficiência hidraúlica


Escoamento turbulento dificulta a condução do fluído



Não compatível para operação em 16 bar

Maior fator de segurança e manutenabilidade

Este selo possui uma vida útil maior e é resistente a agentes

corrosivos

Não vantajoso ao projetoSobre-pressão faria com que o selo reduzisse a possibilidade

de contato de partículas sólidas no fluído, com o eixo de

transmissão

53

Tabela 4.5 – Valores de mercado pesquisados para os princípios de vedação selecionados.


Propostas de solução para o estudo de caso Fazendo uma comparação com os dois princípios de vedação propostos, temos

a vedação por meio de gaxetas e selo mecânico. Quanto ao primeiro princípio, segundo

MATTOS (1997, P.253) “Nas caixas de gaxetas, a selagem entre o eixo ou a luva de eixo e

a parte estacionária da caixa é feita por meio de anéis de gaxetas, colocados entre as duas

superfícies e mantidos apertados pela sobreposta da caixa de gaxetas”. Havendo um

vazamento controlado pela pressão da sobreposta com relação aos anéis vedantes. Esse

mesmo vazamento é proposital, já que este é aproveitado como lubrificante e refrigerante

das superfícies vedantes, que por sua vez estão submetidas à temperaturas e pressões mais

elevadas. Contudo, esse aperto da sobreposta aumenta o atrito existente entre os anéis e

os deteriora mais rapidamente, podendo comprometer o eixo ou a luva. Contudo, no caso

analisado, notou-se que os anéis de EPDM apresentaram um desvio irrisível de circularidade

e boa integridade estrutural, mas apresentava deposição de óxido de ferro na superfície

passante do eixo (por onde ocorria o vazamento). De acordo com CASTRO (2014), o limite

aceitável para vazamento por gaxeta é de até 60 gotas por minuto, para que os anéis não

comprometam o funcionamento da caixa de gaxetas. Sendo assim, notei que a causa para

o problema identificado na verdade partiu de uma combinação de fatores. O primeiro fator

está relacionada á qualidade da água que é utilizada pelas bombas, onde segundo GENTIL

(2011, P.189) “teores elevados de íon ferro (II), Fe2+, que pela ação de bactérias ferro-

oxidantes são oxidados e posteriormente precipitados como tubérculos nas tubulações”, algo

conivente com o observado nos relatórios de qualidade, 2 meses antecedentes ao ocorrido

[concentração observada foi de 2 ppm, discrepante dos 1 ppm especificados por GENTIL

(2011)]. Essa deposição de oxidos de ferro, foi perceptível quando as juntas radial e axial

foram abertas. Este fato me levou a pensar em algum outro fator implicante na aceleração

do processo de corrosão. Com isso, levantei uma hipótese relacionada ao pH da água, visto

que de acordo com a figura 4.14, quanto mais temos um pH menor, existe uma taxa de

corrosão mais elevada. Isso explicaria muito da desgradação acentuada dos componentes

internos da bombas (feitos em ferro fundido) e da parte interna da tubulação de

TIPOS

MARCAS

SELO MECÂNICO

SIMPLES COM

VEDAÇÃO EM

PTFE

SELO MECÂNICO

DE DUPLA

SELAGEM

SELO DUPLO MULTI-

MOLAS, COM

VEDAÇÕES EM

PTFE

SELO MECÂNICO

DUPLO

PRESSURIZADO,

COM VEDAÇÃO

EM PTFE

JOHN CRANE 250,00 579,00 690,00 800,00

SELOBRAS 225,00 485,00 635,00 680,00

TECHNO SEAL 230,00 525,00 620,00 780,00

54

condensação, algo que consequentemente afetaria na degradação mais acentuada do eixo

(feito em aço 1045). Contanto nos relatórios de qualidade da água ao qual tive acesso não

percebi nenhuma alteração significativa, fora do que se considera como um pH neutro

(próximo a 6). Outra hipótese levantada, se deve ao fato da presença de sólidos em

suspensão no fluído em escoamento, que leva a um processo erosivo na superfície do eixo

de aço-carbono. Já que com o aumento da velocidade do fluxo, temos um aumento da taxa

de corrosão-erosão.

Figura 4.13 – Esquematização de posição de gaxetas e sobreposta.


Figura 4.14 – Correlação entre o pH da água e a taxa de oxidação do ferro.

Fonte: (GENTIL,2011).

Portanto, prefiri optar pelo princípio de vedação com selo mecânico, onde

segundo MATTOS (1997, P.253) “as superfícies de selagem são localizadas em um plano

perpendicular ao eixo e usualmente consistem de duas superfícies adjacentes altamente

polidas; uma superfície é ligada ao eixo e a outra à parte estacionária da bomba. Estas

superfícies altamente polidas são mantidas em contato contínuo por molas formando um

selo fluido entre as partes rotativas e estacionárias com muito pequenas perdas por atrito”.

Sendo assim, por meio desse princípio contrutivo (figura 4.15), os selos possuem muitas

vantagens quando comparados com as gaxetas, já que não são suceptíveis a vazamentos

55

por minímos que sejam, além de suportarem diferentes condições de operação. Atuando

com pressões mais altas, além de trabalharem com frequências de rotação mais elevadas.

Resistindo muito mais à abrasão e desgaste por si só. Contudo, temos um problema

relacionado diretamente com oxidação e desvio de circularidade no caso da gaxeta, ao qual

propiciava folgas diametrais indesejadas, que por sua vez levaram a formação de óxido

metálico na superfície do eixo passante.

Com respeito aos tipos de princípios previamente, selecionados na fase de

“seleção e avaliação dos princípios de funcionamento” (figura 4.12), farei uma avaliação dos

princípios em separado para que possamos elucidar qual tipo de selagem mecânica

devemos fazer escolha.

I. Selos simples: Não são recomendados para aplicações com fluído corrosivo,

devido a exposição de seus componentes em contato direto.

II. Selos duplos: Servem como alternativa aos selos simples em aplicações

envolvendo fluídos abrasivos que podem desgastar as faces de vedação (as

faces devem ser polidas) e corrosivos que exigiriam metalurgia custosa na

estrutura de um selo simples.

III. Selo duplo pressurizado: Basicamente um líquido com função seladora é

colocado no interior das faces de vedação, sendo compatível com o fluído a

ser vedado, sendo posicionado entre o selo primário e o selo secundário, a

uma pressão superior à do fluído.

IV. Selo de dupla selagem com expansão a gás: Este selo possui um princípio

parecido com o selo de dupla selagem pressurizado, as mudanças estão

relacionadas ao gás que é inerte e serve como barreira, mas que está em uma

pressão próxima a da atmosfera ou menor.

Estes são os princípios de funcionamento básicos presentes em selos

mecânicos, variando basicamente em relação aos materiais empregados nos anéis de

vedação e na sede estacionária de composição. Além da configuração e quantidade de

molas, já que estas estão relacionadas à absorção de cargas rotativas e desvios de forma

do equipamento. Sendo assim, proponho que o tipo de anel vedativo rotante, seja feito em

PTFE, que é um material não-abrasivo com reatividade quase nula em reação a formação

de óxidos e de custo mais acessível se comparado a outros materiais de mesmas

propriedades.

Portanto, creio que a melhor solução dentre as previamente selecionadas na figura 4.12,

56

seria a de um selo mecânico com sede de aço inox, multi-molas (torna o selo mais resistente

a pressão e dificulta a ocorrência de desvios de circularidade) e anel vedante rotante feito

em PTFE (teflón, que é extremamente resistente à oxidação)(figura 4.16). No entanto, para

o funcionamento correto do sistema de vedação, são necessárias ações complementares.

Sendo estas, o desbaste na seção do eixo danificada, bem como a fabricação de uma luva

de eixo para se obter o diâmetro original da seção desbastada. Quanto as características

dessa operação, temos um eixo em aço 1045 com diâmetro de 50 mm e comprimento de

100 mm, portanto se realizará um torneamento nessa seção com valor igual a 2 mm. Já com

relação à luva de eixo, existe a necessidade que a mesma seja resistente á oxidação e

adotou-se o aço inox 304 para a operação, com diâmetro externo de 50 mm e diâmetro

interno de 48 mm. Sendo assim, fiz uma breve levantamento de custos dessas operações,

ilustrados pela figura 4.17. As outras opções selecionadas, também foram satisfatórias, de

acordo com a figura 4.12, mas combinadas às operações complementares aos custos

empregados, não são tão vantajosas quanto a proposta supracitada.

Figura 4.15 – Selo mecânico com vista em corte

Fonte: (FERRAZ, 2008).

Figura 4.16 – Selo mecânico do tipo SB-OTT, com sede em inox e anel vedante secundário em

PTFE.

Fonte: https://selobras.com.br/produto/selo-mecanico-sb-o/, acessado em 12/11/2019.

57

Figura 4.17 – Valores referenciais para os serviços requeridos de algumas empresas sediadas em

Natal-RN.


Embora tenha feito opção por um princípio de solução em específico, algumas

outras ações são também benefícas ao funcionamento do sistema. Sendo o uso de filtros

nas juntas axial e radial da tubulação de água de condensação, como de extrema

importância. Já que, o sistema notadamente possui um problema de formação de tuberculos

nas tubulações, que por sua vez são arrastados pra dentro da bomba, aumentando erosão

no rotor, carcaça e o próprio selo. Diminuindo também a eficiência do equipamento como um

todo.

EMPRESA

SERVIÇO

WE TORNEARIATORNEARIA SÓ

INOX

JUAREZ

TORNEARIA E

SERVIÇOS DE

SOLDA

TORNEARIA DO

LEÃOTORMEC

DESBASTE DA

SEÇÃO

DANIFICADA

40,00 110,00 50,00 80,00 100,00

CONFECÇÃO DE

LUVA PARA A

SEÇÃO

480,00 600,00 550,00 380,00 640,00

OBS: Valores com referência nas dimensões de diâmetro do eixo em 50 mm, e comprimento da seção em 100

mm. Material do eixo em aço 1045. Bucha em aço inox 304, com 50 mm de diâmetro externo e 48 mm de

diâmetro interno.

58

5. Conclusões Durante a fase de pesquisas e definição de tema ao qual o trabalho seria

desenvolvido, me deparei com a possibilidade de trazer uma abordagem nova em um

âmbito até então, pouco explorado. Portanto, esse fato me motivou a explorar

metodologias novas de concepção, descrição e escolhas de projeto para um estudo

de caso concreto. Tendo uma importância notável, quando avaliamos todas as

diretrizes de funcionalidade e performance de um produto ou equipamento qualquer.

Com relação a abordagem no nosso estudo de caso (vazamento em sessão

passante do eixo em uma bomba centrífugra pura), podemos agora discernir a

concepção de solução como um conjunto de métodos que se dão por meio de

isolamento de caso, elaboração das estruturas de função, bem como busca por

princípios de solução iniciais e avaliação das soluções propostas. Sendo assim, esse

tipo de abordagm nos propícia uma possibilidade de trabalhar de forma concisa, clara,

objetivando um trabalho integral, com flexibilidade e voltado para a otimização do

projeto. Nos levando á um projeto mais eficiente, com menor tempo de

desenvolvimento e de maior qualidade, processo conhecido como simultaneous

engineering.

6. Referências

ÇENGEL, Yunus A.; BOLES, Michael A..Termodinâmica. São Paulo: Mc

Graw Hill, 1998.

STOECKER, W.F., SainzJabardo, J.M., Refrigeração industrial. Ed. Edgard

Blücher, 2002.

CASTRO, José de. Refrigeração comercial e climatização industrial. São Paulo: Leopardo Editora Ltda., 2010. 277 p.

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7. Anexos

ANEXO 1 – Foto elaborada pelo autor da oficina onde a manutenção da

bomba foi realizada.

ANEXO 2 – Fotos elaboradas pelo autor da seção passante do eixo,

acometida pelo vazamento estudado.

ANEXO 3 – Foto elaborada pelo autor do eixo desmontado.

ANEXO 4 – Foto elaborada pelo auto do pós desbaste da seção danificada.

ANEXO 5 – Fotos elaboradas pelo autor do rotor desmontado.

ANEXO 6 – Bomba centrífuga estudada em vistas e em perspectiva com

modelo 3D renderizado.

ANEXO 7 – Bomba centrífuga e motor elétrico em vistas explodidas de seus

componentes.

7.1 – Anexo 1

7.2 – Anexo 2

7.3 – Anexo 3

7.4 – Anexo 4

7.5 – Anexo 5

7.6 - Anexo 6

Vista inferior Vista frontal

Perspectiva em 3D renderizado Vista superior

Vista lateral esqueda Vista Posterior

Vista lateral direita

7.6 Anexo 6 Vista explodida da bomba “NKG 150-125-315/287Y1F2AE- SBAQE”

Vista explodida do motor elétrico

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CONCEPÇÃO DE SOLUÇÃO E ENGENHARIA DE PRODUTO: …...vazamento na seção de eixo passante em bombas centrífugas constituintes de um ... Figura 2.19 – Esquematização e terminologia