Nas instalações industriais,
principalmente em plantas mais antigas, ao longo do tempo os sistemas de
distribuição de água de resfriamento podem ser impactados seja em função de
ampliações na área produtiva que aumentam a demanda de vazão no sistema, ou
mesmo por substituição dos equipamentos industriais devido a tempo de vida útil,
ou necessidade de acompanhar a evolução tecnológica. Essas sucessivas
modificações gradativamente vão descaracterizando a concepção original do
sistema e fugindo as premissas originais de projeto que em geral são definidas
de forma a otimizar o equilíbrio de fluxo e consumo de energia elétrica.
Em qualquer caso é fundamental a
correta análise do sistema com relação ao equilíbrio de fluxo em seus diversos
ramais. Toda modificação efetuada inevitavelmente impacta na perda de carga da linha,
consequentemente afetando a perda de carga global do sistema. Além disso na
grande maioria dos casos, equipamentos mais modernos, principalmente quando de
maior porte, podem demandar maior vazão para que possam suprir a troca térmica
requerida nos trocadores de calor, não só de sistemas hidráulicos, mas também
de trocadores de calor de sistemas adicionais. Assim a combinação de
equipamentos novos e antigos durante um processo natural de renovação do parque
industrial, numa instalação pré-existente pode acarretar problemas de
desequilíbrio de vazão nos equipamentos, de forma a ter equipamentos com
excesso de vazão que em princípio não vão apresentar problemas, e equipamentos
com falta de vazão que certamente vão apresentar problemas decorrentes da limitação
de troca de calor.
Nesta situação é muito comum ver
a busca imediata por uma solução que em geral é a menos econômica, aumentar a
vazão total do sistema, entrando com uma segunda ou terceira bomba em paralelo
para garantir o suprimento da demanda deficitária.
Na grande maioria dos casos, com
o sistema operando numa condição de elevada perda de carga, o acréscimo da
bomba adicional tem pouco ganho em vazão e grande desperdício de energia, uma
vez que a variação de consumo não é linear, não é proporcional, posto que o
incremento de vazão com acréscimo de perda de carga aumenta a pressão total do sistema,
muda a faixa de rendimento das bombas e consequentemente a potência mecânica
requerida. Quando, na curva característica da bomba, essa mudança ocorre a
esquerda da faixa de rendimento máximo o acréscimo de consumo será certamente
muito relevante, resultando num péssimo custo benefício para as empresas.
Um exemplo de aplicação da
metodologia de análise numa instalação com mais de 30 anos, que ao longo do tempo
sofreu diversas modificações descaracterizando a configuração original, não
permitindo a seus operadores ter certeza de que estaria adequada para futuras
expansões, nos fornecerá maior compreensão quanto a abrangência e importância
do tema.
Originalmente essa instalação foi
concebida para atender até doze equipamentos que demandavam individualmente
vazão de água de resfriamento de 5 m3/h. A instalação conta com três
bombas centrífugas DARKA CJ-11 (10 CV), instaladas em paralelo, na concepção de
que duas estariam operando e a terceira seria reserva. Assim em princípio a
rede não foi dimensionada para operação com as três bombas em paralelo
simultaneamente.
Por ocasião da análise do sistema
apenas quatro dos nove equipamentos do setor da unidade industrial que estavam
operando demandavam água da torre de resfriamento, o que permitia a operação do
sistema de água de resfriamento com o funcionamento de apenas uma das três
bombas disponíveis. Haviam na mesma unidade mais cinco equipamentos em
funcionamento, porém utilizando água gelada suprida por Chiller, distribuída numa
rede isolada paralela a rede de água de resfriamento, que mesmo tendo outra
finalidade para o processo, estava também conectada aos trocadores de calor de
sistema hidráulico dos cinco equipamentos, de forma que a demanda de água de
resfriamento oriunda da torre estava inferior a 50% do previsto, assim como do
real.
É evidente que a solução de
contingência adotada resultava num maior custo operacional pelo consumo de água
gelada, substituindo água de resfriamento, em cinco dos nove equipamentos
operacionais.
Como citado anteriormente, este
caso é um exemplo muito típico de impacto de diversas modificações feitas numa
unidade industrial, que resultaram em desequilíbrio das perdas de carga nas ramificações
do sistema, o que segundo informado pelos operadores acarretou em não obter
vazão suficiente para atender os nove equipamentos, mesmo quando operavam com
duas bombas ligadas em paralelo.
Na análise inicial do problema
foi verificado que devido as modificações de Layout, com instalação de
equipamentos em derivação mais próxima da unidade de bombeamento, foi privilegiado
um subsistema desequilibrando o fluxo nos outros trechos em paralelo.
No gráfico abaixo está
demonstrada a condição operacional do sistema de suprimento de água de
resfriamento para quatro equipamentos, onde o cruzamento da curva
característica da bomba (cinza) com a curva de perda de carga total do sistema
(azul), indica os parâmetros operacionais com vazão de aproximadamente 36 m3/h
com altura manométrica total de 40 mca.
Para esta condição foi verificado
que apenas um equipamento que estava em posição mais favorável, no subsistema
mais privilegiado, estava consumindo mais de 50% da vazão total, de forma que a
vazão residual conseguia atender os outros três equipamentos em ramais
paralelos, e não mais que isso.
O Escopo apresentado foi de
analisar as instalações existentes, Torres de resfriamento, Bombas e tubulação,
quanto a viabilidade para adequação da unidade com a implantação gradativa de
oito equipamentos novos, de maior porte, em substituição da maior parte dos
equipamentos existentes, com as seguintes premissas:
- Verificação de quantos
equipamentos novos podem ser adicionados ao sistema, sem que sejam feitas
alterações de tubulações ou bombas considerando que estes serão implantados em
lotes de dois, e que dos quatro equipamentos antigos já compõem o sistema
permanecerão em operação dois a partir de que estejam instalados seis
equipamentos novos.
-
Os equipamentos novos demandam vazão 15,9 m3/h,
sendo 5,1 m3/h para o trocador de calor do sistema hidráulico e
10,8 m3/h para o trocador de calor de sistema de individual de
refrigeração integrado a cada equipamento.
- Os quatro equipamentos antigos
requerem vazão de 5 m3/h.
Para cada cenário, a depender da
quantidade e arranjo dos equipamentos na instalação existente, há uma curva específica
de perda de carga do sistema. Assim para correta análise é necessário modelar
cada etapa da situação proposta e calcular as perdas de cargas. Nesse processo
interativo existem margens para ajustes, seja através do dimensionamento e
instalação de perdas de cargas localizadas, solução que na medida do possível
deve ser evitada, ou também pela adequação e comprimentos e diâmetros de
derivações de alimentação e retorno em cada equipamento de forma a ajustar a
perda de carga nesses trechos e assim reduzir a perda de carga total do
sistema. Mas como a segunda possibilidade tem limites de aplicação, em geral
após esse ajuste há necessidade de aplicar perdas de cargas localizadas em
equipamentos mais próximos de forma a equalizar as vazões individuais para todos
os equipamentos.
A análise tinha como condição e
partida quatro equipamentos que demandavam vazão total de 20 m3/h,
com objetivo de atender uma condição final de dez equipamentos requerendo vazão
total de 137,2 m3/h. Com foco no de aproveitamento máximo da
instalação existente foi pactuado a busca por solução resultando no
aproveitamento das bombas instaladas e no máximo aproveitamento dos trechos de
maior diâmetro da tubulação existente (3”). Para atender essa possibilidade
passou a ser factível a análise de condição operacional para até três bombas
simultaneamente em paralelo. Essa possiblidade foi motivada pelo fato de cada
equipamento novo a ser instalado requerer mais de três vezes a vazão dos
equipamentos em desativação.
As linhas de sucção e recalque
das bombas e as linhas de interligação e retorno com a rede de distribuição
para os equipamentos, representavam importantes oportunidades de melhoria
requerendo adequação de diâmetros para reduzir a perda de carga total do
sistema, visando possibilitar a condição de implantação proposta. A rede de
distribuição para os equipamentos havia passado por adequação mais recente e
foi redimensionada para o diâmetro de 3”, as demais citadas tinham em vários
pontos diâmetros menores que 3”.
Para avaliar as limitações e
possibilidades do sistema existente foi modelada a condição limite, oito
equipamentos novos e dois antigos, sem alteração na rede.
Para correta avaliação do sistema
operando com uma, duas ou três bombas em paralelo, em função da divisão de fluxo
e excessiva perda de carga nos trechos individuais de sucção e recalque das
bombas, houve para um mesmo sistema variação da curva de perda de carga uma vez
que o acréscimo de linhas paralelas de sucção e recalque das bombas reduzem a
perda de carga desse trecho da tubulação, o que pode ser observado no gráfico
abaixo:
No gráfico acima é possível observar
diferença nas três curvas de perda de carga, que para a faixa de vazão avaliada
é muito sutil nos casos de operação com duas ou três bombas em paralelo, mas
demonstrando que não considerar essa variação e tomar como base a curva de
perda de carga do sistema com uma única bomba, acarretaria erros para qualquer
vazão a partir de 40 m3/h.
Colocando no gráfico acima as
curvas características da bomba para as três possibilidades temos
- A condição operacional com uma
bomba CJ11 (10 CV) resulta em vazão de 61 m3/h e perda de carga
total de 31 mca.
- A condição operacional com duas bombas CJ11 (10 CV) resulta em vazão de 74 m3/h
e perda de carga total de 40 mca.
-
A condição operacional com três bombas CJ11 (10 CV) resulta em vazão de 77 m3/h
e perda de carga total de 42 mca.
Os
dados anteriores demonstram que a limitação do sistema se da pela perda de
carga total da tubulação e não pela capacidade de bombeamento. Neste caso a
inclusão da terceira bomba acarreta aumento irrisório de vazão com acréscimo de
50% da potência instalada.
Para
melhor elucidar essa conclusão está simulado no gráfico abaixo a condição
hipotética de aumento de capacidade de bombeamento com a utilização de três
bombas CJ13 (15 CV) operando simultaneamente em paralelo.
O gráfico acima apresenta o
cruzamento da curva característica da bomba centrifuga CJ13 (vermelha), com a
curva de perda de carga do sistema (azul), considerando a operação de três
bombas em paralelo. A condição operacional obtida neste caso é com vazão 84 m3/h
e perda de carga total de 49 mca.
Fazendo uma avaliação entre as
vazões obtidas e potência nominal requerida temos o seguinte resultado:
No gráfico anterior está
representado um acréscimo de potência nominal de 350% com aumento de capacidade
de bombeamento, resultando em acréscimo de vazão de apenas 37%.
Desde a primeira análise
comparando as condições para uma e duas bombas CJ11 em paralelo, já era
evidente que a limitação do sistema estava na perda de carga da tubulação.
O objetivo desse artigo é alertar
quanto a importância da correta análise do sistema antes de buscar a solução
que muitas vezes parece a mais eficaz, mas que sem a correta análise, além de poder
se tornar economicamente inviável, pode não atender à necessidade requerida. A
tendência da curva de Vazão x Potência Nominal é de assíntota ao eixo vertical,
o que significa ser necessário proibitivo aumento de potência nominal instalada
para que seja obtida a vazão requerida de 137,2 m3/h.
Com a simulação de adequações nas
tubulações já ciadas e incremento de uma tubulação de 6” para alimentação até o
primeiro nó de bifurcação do sistema, aproveitando a tubulação de 3” já
existente até esse nó, para operar como uma segunda tubulação de retorno, é
possível reduzir drasticamente a perda de carga total do sistema, com
investimento relativamente baixo requerido para as adequações, resultando na
condição apresentado no gráfico abaixo.
A condição obtida demonstra a
viabilidade da instalação existente para atender as mudanças de cenário
previstas na unidade industrial, sem que haja acréscimo na potência instalada para
o bombeamento de água de resfriamento. Neste caso a operação com duas bombas em
paralelo e uma reserva, da forma como foi concebida a unidade de bombeamento,
atende plenamente a vazão requerida para o cenário futuro, resultando em Vazão
de 140 m3/h com perda de carga total de
26 mca.
No gráfico acima fica também
explicito que há possibilidade de futura substituição dos dois equipamentos
antigos remanescentes por dois equipamentos novos, neste caso havendo
necessidade de operar com as três bombas em paralelo. Uma vez que a vazão total
requerida seria de 159 m3/h, e a condição obtida no gráfico acima
para o caso de três bombas foi, vazão de 164 m3/h com perda de carga
de 35 mca.
A curva de perda de carga
apresentada no gráfico acima foi a de operação com duas bombas, que representa
a condição média, válida neste caso, uma vez que foram consideradas nessa
modelagem adequações de diâmetros de tubulações individuais de sucção e
recalque das bombas, tornando desprezível a variação na curva de perda de carga
do sistema nas três condições. Outra observação pertinente é em relação a
hipotética possibilidade de operação com uma única bomba na condição de
adequação proposta. Pode ser observado no gráfico acima que não houve
interseção entre a curva de uma bomba (amarela) e a curva do sistema (azul). A
interpretação dessa questão é que a operação com uma bomba vai leva-la a
sobrecarga e desligamento decorrente de aquecimento do motor, uma vez que
estaria operando fora de faixa e com rendimento muito baixo. Esse comentário
visa elucidar outra situação hipotética, mas pertinente, que é a possibilidade
da unidade industrial operar com redução de capacidade instalada, e também se
obter economia de energia adequando o bombeamento. Seria razoável na condição de
operar com 50% da capacidade instalada fazer o desligamento de uma bomba
mantendo apenas uma em funcionamento, porém haveria problemas se não forem
efetuadas manobras que permitam adequar a faixa de rendimento da bomba. Neste
caso existem várias possibilidades uma vez que é necessário impor ao sistema
para vazão na ordem de 80 m3/h um adicional de perda de carga de 10
mca.
A analise desse sistema resultou
na identificação de que apenas dois equipamentos novos poderiam ser
acrescentados ao sistema sem que fossem realizadas as adequações nas
tubulações, apenas com instalação de perdas de carga localizadas para
equilibrar o fluxo nos equipamentos, mas sobretudo deu aos operadores pleno
conhecimento da viabilidade de implantação da renovação do parque industrial
com aproveitamento do sistema auxiliar de água de resfriamento existente,
requerendo apenas modificações em alguns trechos de tubulação. Para tanto, após
uma análise dessa natureza é necessário a elaboração de projeto executivo específico
com o redimensionamento das tubulações do sistema.
A LINDEN ENGENHARIA tem expertise
em dimensionamento, projeto, análise e adequações de instalações de bombeamento
e distribuição de água industrial, assim como em redes de combate a incêndio.
Roberto de Souza van der Linden
Engenheiro Mecânico – LINDEN ENGENHARIA
robertolindenen@hotmail.com
