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Tarso José Rebolo Costa

DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE

UMA DISTRIBUIDORA DE COMBUSTÍVEIS

Centro Universitário Toledo

Araçatuba

2018

Tarso José Rebolo Costa

DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE

UMA DISTRIBUIDORA DE COMBUSTÍVEIS

Trabalho para Conclusão de Curso apresentado ao Centro

Universitário Toledo de Araçatuba, sob orientação

Professor Ms. Lucas Mendes Scarpin, como requisito

parcial para a obtenção do título de Engenheira

Mecânica.

Centro Universitário Toledo

Araçatuba

2018

FICHA CATALOGRÁFICA

Costa, Tarso José Rebolo

Dimensionamento de um sistema de bombeamento de uma distribuidora de

combustíveis / Tarso José Rebolo Costa – Araçatuba, 2018, 74 f.

Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia de Mecânica – Centro

Universitário Toledo.

Orientador: Prof°. Me. Lucas Mendes Scarpin.

1. Dimensionamento. 2. Melhoria. 3. Soluções. 4. Baixo Custo. I. Scarpin, Lucas

Mendes II. Dimensionamento de um sistema de bombeamento de uma distribuidora de

combustíveis

AGRADECIMENTOS

Gostaria primeiramente de agradecer a Deus por estar comigo em todos os momentos da minha

vida, me dando apoio e todas as forças possíveis para finalizar esse trabalho de conclusão de curso.

Agradeço a minha mãe e irmã, Cida e Livia, e todos familiares e amigos que me deram forças

para continuar tentando, me incentivando independente do desafio.

Ao meu orientador, Prof. Mestre Lucas Mendes Scarpin, principalmente pela paciência,

dedicação, incentivo e sabedoria que me auxílio do começo ao fim do meu trabalho.

A todos os professores, que me ensinaram, incentivaram, ajudaram, aconselharam, contribuindo

totalmente para um crescimento profissional.

RESUMO

Este trabalho apresenta uma reflexão e estudo sobre bombas centrífugas, que são um

tipo específico de turbomáquinas utilizadas no bombeamento de fluidos, transferindo-os de um

ponto ao outro. São utilizadas em sistemas de saneamento básico, distribuição de água,

edifícios, dentre outros. As bombas centrífugas são projetadas para operar de acordo com uma

determinada vazão e altura manométrica total, porém, dependendo da instalação ou condição

operacional, podem ocorrer mudanças nesses parâmetros. Diante disso, foi proposto

desenvolver um projeto detalhado de um sistema de bombeamento de uma distribuidora de

combustíveis, observando o carregamento e descarga de etanol hidratado, tentando aperfeiçoar

um sistema já existente. Foram levantadas as características e dimensões da planta em análise

e, em seguida, foi realizado um estudo dirigido, a fim de se quantificar as perdas de carga do

sistema, possibilitando a seleção e especificação do mesmo. De acordo com os dados, foram

apresentadas propostas para melhorias, como a substituição de equipamentos e acessórios,

possibilitando a operação de modo satisfatório e eficiente.

Palavras-chave: Perda de carga, projeto, melhoria.

ABSTRACT

This work presents a reflection on the centrifuges of pumps, which are a specific type

of turbomachinery, used mainly for the pumping of fluids, transferring them from one point to

the other. They are used in basic education systems, water distribution, buildings, among others.

Centrifugal pumps are designed to operate according to the variation and total head. In view of

this, the process of developing a pumping system for a fuel distributor with hydrated ethanol

loading and unloading was developed, searching for an existing system. The characteristics and

dimensions of the matrix under analysis were surveyed and then a directed study was carried

out with the objective of quantifying the system load losses, allowing a selection and updating

of the system. According to the data, proposals for improvements, such as the replacement of

equipment and accessories, enable a satisfactory and efficient operation.

Keywords: Load loss, design, perfect.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Representação de um caminhão tanque compartimentado. ....................................... 3

Figura 2 - Baias de Carregamento e Descarga. .......................................................................... 4

Figura 3 - Representação de todos os tipos de máquinas de fluxo. ............................................ 5

Figura 4 - Representação de uma bomba de engrenagem ......................................................... 7

Figura 5- Representação de uma bomba de palheta ................................................................... 8

Figura 6 - Representação de uma bomba parafuso ..................................................................... 9

Figura 7 - Representação de uma bomba parafuso ................................................................... 10

Figura 8 - Representação de uma bomba diafragma ................................................................ 11

Figura 9 - Representação de todos os tipos de escoamentos .................................................... 12

Figura 10 - Representação de uma bomba centrifuga .............................................................. 13

Figura 11 - Representação de uma instalação de bombeamento .............................................. 14

Figura 12 - As duas formas de instalar uma bomba: afogada e não afogada ........................... 15

Figura 13 - Representação de acessórios rosqueados ............................................................... 17

Figura 14 - Representação de acessórios soldados ................................................................... 18

Figura 15 - Representação de acessórios soldados ................................................................... 19

Figura 16 - Representação de uma válvula gaveta ................................................................... 20




Figura 20 - Representação de filtro cesto simples .................................................................... 23

Figura 21 - Representação do medidor tipo turbina ................................................................. 24

Figura 22 - Representação do PT 100 ...................................................................................... 25

Figura 23 - Carregamento de Auto Tanque .............................................................................. 30

Figura 24 - Representação caminhões tanque .......................................................................... 31

Figura 25 - Representação das pás da bomba cavitada ............................................................ 34

Figura 26 - Escoamento laminar ............................................................................................... 38

Figura 27 - Escoamento turbulento .......................................................................................... 38

Figura 28 - Representação Diagrama de Moody ...................................................................... 40

Figura 29 - Velocidade econômica ........................................................................................... 43

Figura 30 - Representação da distribuidora de combustível..................................................... 44

Figura 31 - Verificação de trechos do tanque até a plataforma de carregamento .................... 46

Figura 32 – Perda de carga do filtro tipo cesto ......................................................................... 48

Figura 33 - Conversão de parâmetros ....................................................................................... 49

Figura 34 - Perda de carga válvula elétrica .............................................................................. 49

Figura 35 - Fator K de uma redução ......................................................................................... 50

Figura 36 - Fator K de uma ampliação ..................................................................................... 50

Figura 37- Modelo de bomba megachen .................................................................................. 53

Figura 38 - Verificação do rendimento da bomba .................................................................... 54

Figura 39 - Trechos tubulação descarga ................................................................................... 55

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Tipos de combustíveis naturais ............................................................................... 26

Tabela 2 - Rugosidade absoluta de materiais ........................................................................... 37

Tabela 3 - Representação de perda de carga de equipamentos por diâmetro de tubulação ...... 41

Tabela 4 - Dados para cálculos ................................................................................................. 45

Tabela 5 - Característica de cada trecho ................................................................................... 46

Tabela 6 - Acessórios trecho 1 ................................................................................................. 47

Tabela 7 - Resultados Trecho 1 ................................................................................................ 47

Tabela 8 - Acessórios trecho 2 ................................................................................................. 47

Tabela 9 - Resultados trecho 2 ................................................................................................. 47

Tabela 10 - Acessórios trecho 3 ............................................................................................... 48

Tabela 11 - Resultados trecho 3 ............................................................................................... 51

Tabela 12 - Trechos ideais para distribuidora .......................................................................... 52

Tabela 13 - Resultado trecho 1 ideal ........................................................................................ 52



Tabela 16 - Característica de cada trecho ................................................................................. 55





Sumário

1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 1

2. DESENVOLVIMENTO ............................................................................................. 5

2.1 Máquinas de Fluxo ............................................................................................... 5

2.1.1 Máquinas deslocamento Positivo .................................................................. 6

2.1.2 Máquinas Rotativas ....................................................................................... 6

2.1.3 Máquinas Alternativa ..................................................................................... 9

2.1.4 Turbomáquinas ............................................................................................ 11

2.2 Bombeamento Hidráulico ................................................................................... 13

2.3 Posicionamento das bombas ............................................................................... 14

2.4 Tubulação Industrial ........................................................................................... 15

2.4.1 Materiais para tubulação industrial .............................................................. 15

2.4.2 Acessórios para tubulação industrial ........................................................... 16

2.4.3 Válvulas ....................................................................................................... 19

2.4.4 Filtro cesto Simplex ..................................................................................... 23

2.4.5 Medidor tipo Turbina ................................................................................... 23

2.4.6 Sensor de temperatura PT100 ...................................................................... 24

3. APRESENTAÇÃO ESTUDO DE CASO ................................................................ 26

3.1 Combustível ........................................................................................................ 26

3.1.1 Combustível Etanol Hidratado .................................................................... 27

3.1.2 Combustível Etanol Anidro ......................................................................... 27

3.1.3 Combustível Biodiesel ................................................................................. 28

3.1.4 Combustível Gasolina .................................................................................. 28

3.1.5 Combustível Diesel S500 e S10 .................................................................. 29

3.2 Operação de Carregamento ................................................................................. 29

3.3 Operação de Descarga ........................................................................................ 30

4. EQUACIONAMENTO ............................................................................................ 32

4.1 Equação de Bernoulli para escoamentos ............................................................ 32

4.2 Altura manométrica total .................................................................................... 32

4.3 Altura manométrica de recalque ......................................................................... 33

4.4 Altura manométrica de sucção ............................................................................ 33

4.5 Cavitação ............................................................................................................ 34

4.6 NPSH .................................................................................................................. 34

4.7 Perda de Carga .................................................................................................... 36

4.8 Viscosidade ......................................................................................................... 36

4.9 Rugosidade absoluta ........................................................................................... 37

4.10 Vazão ................................................................................................................ 37

4.11 Número de Reynolds ........................................................................................ 38

4.12 Fator de Atrito ................................................................................................... 39

4.13 Perda de carga localizada .................................................................................. 40

4.14 Perda de carga distribuída ................................................................................. 41

4.16 Velocidades recomendadas para recalque e sucção .......................................... 42

4.17 Potência de bomba ............................................................................................ 43

5. CASO ESTUDADO ................................................................................................. 44

6. RESULTADOS CARREGAMENTO ...................................................................... 46

6. 1 Cálculo de perdas carregamento ........................................................................ 47

6.1.1 Cálculo da altura manométrica total ............................................................ 51

6.1.2 Cálculo carregamento ideal ......................................................................... 51

6.1.1 Cálculo da altura manométrica total do carregamento ideal ....................... 53

6.2 Solução para o carregamento .............................................................................. 53

6.2.1 Solução: Troca da bomba e o motor ............................................................ 53

6. 3 Estudo da descarga ............................................................................................ 54

6.3.1 Cálculo descarga ideal ................................................................................. 56

6.3.2 Cálculo da altura manométrica total descarga ideal .................................... 57

6.4 Solução ideal descarga ........................................................................................ 58

6.4.1 Solução descarga ideal: troca da tubulação de sucção e recalque ............... 58

7. CONCLUSÃO .......................................................................................................... 59

1

1. INTRODUÇÃO

Ao decorrer da história, a relação do homem e a natureza foi protagonista por várias

transformações importantes. A procura por uma condição de vida mais confortável acabou

encaminhando o homem a várias fontes de combustíveis. (Brasil Escola, 2013)

Os primeiros combustíveis foram a combustão da madeira ou varas há cerca de 2

milhões de anos. Durante a maior parte, a madeira foi a fonte de energia fundamental para

afastar temperaturas extremas no inverno. (Brasil Escola, 2013)

Com a revolução industrial, a exploração das fontes de energia sofreu uma de suas

maiores revolução. Com a produção crescendo em larga escala motivou a buscas por novas

energias. Neste período, o carvão mineral se tornou o principal para o funcionamento dos

primeiros motores movidos a vapor. (Brasil Escola, 2013)

Nos primeiros anos do século XX, a popularização dos automóveis ampliou ainda mais

a necessidade internacional por combustíveis de alto desempenho. Sendo assim os líquidos

usados eram encontrados em origem vegetal ou animal, como álcool, óleos vegetais e gorduras.

No final do século XX surgem os primeiros combustíveis minerais, considerados fósseis, são

os derivados do petróleo como óleo diesel, o querosene e a gasolina. (Brasil Escola, 2013)

Com as crises de petróleo, houve novas buscas por fontes de energia. Por meio da

fermentação da sacarose, o álcool anidro passou a ser utilizado em carros. Este combustível

ganhou uma forte presença no mercado internacional. (Brasil Escola, 2013)

A reação do Brasil nessas duas crises foi criar um desenvolvimento de tecnologias de

exploração e produção de petróleo e da implementação. Sendo assim, em novembro de 1974

surgiu o Programa Nacional do Álcool (PNA), cuja segunda etapa denominou-se “Programa do

Álcool”, quando o governo passou a incentivar as montadoras de veículos a produzir

automóveis movidos a álcool e os consumidores a adquiri-los. O etanol é o combustível que

ganhou um grande espaço no mercado a partir de 1980 e nos dias de hoje tem grande consumo

no mercado por ser menos poluente. (Brasil Escola, 2013)

No Brasil existe uma rede de distribuição de combustível, possuindo na região norte 39

distribuidoras de combustíveis com uma capacidade de 12709 m³ de biodiesel, 66316 m³ de

etanol e 447583 m³ de derivados do petróleo, 41 distribuidoras no nordeste com uma tancagem

de 18783 m³ de biodiesel, 118572 m³ de etanol, 556921 m³ de diesel, 86 no sudeste tem 57100

m³ de biodiesel, 371813 m³ de etanol e 1017433 m³ de derivados do petróleo. (ANP, 2012).

2

No mercado de petróleo, downstream é o setor que compreende o transporte, refino ou

processamento, distribuição e comercialização de petróleo, seus derivados e gás natural. Neste

mercado, a distribuição é o seguimento de suprimentos que antecede a venda do produto ao

consumidor. A distribuição é a atividade inerente a comercialização por atacado com rede

varejista ou em grandes consumidoras de combustíveis, lubrificantes, asfaltos e gás liqüefeito

envasado, englobando a aquisição, armazenamento, transporte, comercialização e a controle de

qualidade dos combustíveis líquidos, derivados de petróleo, álcool combustível. (Maligno,

2005)

Em uma empresa distribuidora de combustível pode ter diversas bases de distribuição,

e essas bases podem fornecer centenas de clientes. Estes clientes se encontram geograficamente

próximos à base e cada um tem características especificas. O trabalho que se encontra a gestão

de logística nas distribuidoras para otimizar o atendimento e os seus clientes, verificando

simultaneamente o suprimento da distribuidora, a armazenagem e a distribuição entre as bases.

(Maligo, 2005)

Para o setor brasileiro de combustíveis, a liberdade de atuar em todos os itens do

mercado é recente. A regulamentação que vigorou até meados da década passada ingressou a

logística das empresas distribuidoras e fixava os preços dos combustíveis. Sendo assim, as

companhias só vieram a investir no desenvolvimento da sua força logística quando o governo

promoveu uma desregulamentação do setor. (Maligo, 2005)

O tema deste trabalho de conclusão de curso está relacionado a etapa final da

comercialização de combustível: o carregamento e descargas de caminhões-tanque. A entrega

de combustíveis aos clientes sempre é feita por caminhões-tanque. Este veículo tem vários

tanques menores, que são denominados compartimentos. Na entrega e na descarga os

caminhões precisam estar no volume determinado na compra ou venda do produto. A

quantidade do compartimento é de importância de logística, pois precisa ser feito uma estratégia

na entrega de cada compartimento e ser feito um levantamento de necessidade do cliente,

conforme apresentado na figura 1.

3

Figura 1 - Representação de um caminhão tanque compartimentado.

Fonte: Caminhões e carreta (2017)

O objetivo do trabalho é estudar a operação de carregamento e descarga que possui

várias dificuldades para uma operação rápida e com segurança. Analise desta atividade é

influenciado por fatores comportamentais, físicos, climáticos e operacionais. Dentre os fatores,

tem-se: o treinamento dos motoristas, a vazão das bombas, a tubulação do terminal de

distribuição, a capacidade da demanda do terminal, o procedimento operacional, o tempo gasto

de entrada e saída do caminhão, conferência de qualidade, etc.

O terminal deve estar capacitado a receber os produtos e distribuir de maneira que não

é esgotado todo o combustível. Para isso, se faz necessário um estudo de demanda da região

para avaliar se é possível suprir toda a necessidade da vizinhança. Depois de feito esse estudo,

é medido a capacidade de tempo de operação do terminal, que consiste em quanto tempo o

terminal é capaz de operar com suas restrições de tubulações, bombas, pontos de carregamentos

e descarga sem nenhuma interferência.

Nos terminais de distribuição de combustível, os locais onde são realizadas as operações

de descarga e carregamento de combustível são denominados baias, os quais existem

equipamentos de enchimento de caminhões tanques e de escorrimento de produto. Conforme

apresentado na figura 2, nas baias de carregamento e descarga existem braços de carregamento

e mangotes de descarga para serem conectados AO caminhão e um fluxograma de válvulas de

descarga de produto que é uma sequência de válvulas que precisam ser abertas para efetuar a

descarga.

4

Figura 2 - Baias de Carregamento e Descarga.

Fonte: Chatree12 (2014)

Para se descarregar um caminhão tanque é necessário fazer conferência física do

caminhão com finalidade de verificar se o produto foi violado. O próximo passo é o controle

de qualidade do produto. Cada produto tem uma especificação que deve ser verificada antes do

caminhão ser aprovado para descarga. Cada produto tem suas características visuais que

precisam ser seguidas e aspectos químicos que precisam estar nos padrões da companhia. Com

o produto na qualidade específica e sem nenhuma violação, é conectado os mangotes nas bocas

de descarga e iniciado abertura para descarga do caminhão.

O caminhão tanque para ser carregado é necessário passar por uma conferência física

que tem a finalidade de verificar pontos onde o produto pode ser violado. O caminhão precisa

estar todo lacrado para que não ocorra nenhum derrame de produto. É utilizado um equipamento

chamado braço de carregamento que é colocado na boca de visita superior do compartimento

que faz o enchimento da carga.

Nestas duas operações que todos os terminais de combustíveis realizam diariamente

existem duas variáveis que vão ser estudadas neste projeto: vazão e perdas de carga. Será

realizado um estudo referente às vazões das bombas e os diâmetros das tubulações em um

terminal de combustível, a fim de melhorar o rendimento na operação de descarga e

carregamento com um baixo investimento, tentando buscar o máximo de aproveitamento e

agilidade na operação, gerando uma diminuição de tempo, o que proporciona lucro para a

companhia.

5

2. DESENVOLVIMENTO

2.1 Máquinas de Fluxo

Máquina de fluxo é o equipamento que promove uma troca de energia de um sistema

mecânico para um fluido, transformando a energia mecânica em energia para o fluido ou

energia do fluido em energia mecânica. (Brasil A.N., 2010)

Nas máquinas de fluxo, denominadas de máquinas mecânicas, o fluido nunca está

confinado, mas sempre está em fluxo e é constantemente submetido a trocas de energia

principalmente devido a efeitos mecânicos. Como exemplo de máquinas de fluxo as turbinas

hidráulicas, ventiladores, turbinas a vapor, a gás, turbo compressores, etc. (Brasil A.N., 2010)

Na figura 3 tem todos os tipos de maquinas de fluxo e suas classificações, sendo elas de

densidades (𝑝) constante ou não.

Figura 3 - Representação de todos os tipos de máquinas de fluxo.

Fonte: N. Viana (2014)

6

2.1.1 Máquinas deslocamento Positivo

Nestes equipamentos uma quantidade fixa de fluido é confinada durante a sua passagem

dentro da máquina, sendo assim submetido a trocas de pressões em razão da variação do volume

interno do recipiente que está contido. Caso a máquina pare de funcionar, o fluido de operação

permanece contido em seu interior indefinitivamente. Também denominada de máquina

estática a energia transferida é resultado da pressão, sendo pequena a energia cinética

transferida, sendo desprezada. (Brasil A.N., 2010)

Nas especificações da máquina de deslocamento positivo existem duas ramificações de

tipos, o primeiro são as maquinas rotativas como bomba de palheta, bomba de engrenagem,

bomba de parafuso, etc. Na segunda ramificação são as máquinas alternativas que são as

bombas de pistão, diafragma, etc. (Brasil A.N., 2010)

2.1.2 Máquinas Rotativas

2.1.2.1 Bomba de Engrenagem

A bomba de engrenagem consiste basicamente de uma carcaça com orifício de entrada

e saída, e um mecanismo de bombeamento composto de duas engrenagem. Uma das

engrenagens é a engrenagem motora que é ligada no eixo que é conectado a um elemento

acionador principal. A outra engrenagem é a engrenagem movida. (Brasil A.N., 2010)

No lado de entrada, conforme a figura 4, os dentes de engrenagem desengrenam o fluido

que entra na bomba e é conduzido pelo espaço existente entre os dentes e a carcaça, para o lado

de saída onde os dentes das engrenagens força o fluido para fora. (Brasil A.N., 2010)

As vantagens deste equipamento é uma eficiência para pequenos projetos,

excepcionalmente leve e compacta para sua capacidade, eficiente a altas pressões de operação,

resiste a efeitos de cavitação, resiste em baixas temperaturas de operação e compatibilidade

com vários fluidos. (Brasil A.N., 2010)

7

Figura 4 - Representação de uma bomba de engrenagem

Fonte: Brasil A.N. (2010)

2.1.2.2 Bomba de Palheta

A bomba de palheta é uma bomba de deslocamento positivo que é montada em rotor

que gira dentro de uma cavidade. Em alguns casos estas palhetas podem ser de comprimento

variável ou tensionados para manter tensionadas para manter o contato com as paredes na qual

a bomba gira. (Theriault, 2001)

A bomba mais simples do tipo de palheta é com um rotor circular que gira dentro de

uma cavidade menor, conforme a figura 5. Os centros destes dois círculos descentrados

causando assim excentricidade. As palhetas ficam livres para entrar e sair do rotor e selo em

todas margens com a criação de uma câmara de palhetas que fazem o trabalho de bombeamento.

No lado da entrada da bomba, as câmaras de palhetas aumentam o volume, fazendo com que o

líquido entre forçado pela pressão de entrada. No lado da descarga da bomba, as palhetas estão

diminuindo em volume, forçando o fluido. (Theriault, 2001)

Uso comum de bomba de palheta é na área de automotivos incluindo bomba de câmbio

automático. A bomba de palheta tem baixo nível de ruído, fornece uma vazão mais uniforme

ao fluido de trabalho minimizando as oscilações nas linhas dos sistemas hidráulico e grande

tolerância e contaminação do sistema. (Brasil A.N., 2010)

8

Figura 5- Representação de uma bomba de palheta

Fonte: Brasil A.N., (2010)

2.1.2.3 Bomba de Parafuso

As bombas de parafuso são de deslocamento positivo, o princípio desta bomba trata-se

de uma rosca em um tubo, conforme a figura 6, que mergulha em uma das suas extremidades

no material que deseja ser transportado, sendo assim a bomba gira, em conjunto o material entra

pela rosca e é transportado ao longo do eixo até a parte superior. (Rufatto, 2017)

As bombas de parafuso permite elevar desde pequenas a altas vazões em alturas

relativamente baixas, sendo muito utilizada em campos de saneamento para reservatórios de

esgoto, recirculação de lados ativados, elevação de água, controle de inundações pluviais e

bombeamento em plantas de tratamento de resíduos industriais. Possui um baixo custo de

manutenção, pois a baixa rotação de trabalho, o desgaste por abração de sólidos é mínimo.

(Rufatto, 2017)

Essa tecnologia possui a característica de permitir grande flexibilidade operacional,

absorvendo grandes variações de vazões e com baixo consumo energético comparado com

instalações de bomba centrifuga. (Rufatto, 2017)

9

Figura 6 - Representação de uma bomba parafuso

Fonte: NEI (2009)

2.1.3 Máquinas Alternativa

2.1.3.1 Bomba Pistão

As bombas de pistão gera uma ação de bombeamento, fazendo que os pistões se alterem

dentro de um tambor cilíndrico. Os mecanismos consistem em um tambor de cilindro, pistões

com sapatas, placas de deslizamentos, sapata, mola de sapata e placa de orifício. (Brasil A.N.,

2010)

Um tambor de cilindro é adaptado com um pistão. A placa de deslizamento é

posicionado a um certo ângulo. A sapata do pistão corre na superfície da placa de deslizamento.

(Brasil A.N., 2010)

Quando um tambor de cilindro gira, a sapata do pistão segue a superfície da placa de

deslizamento (a placa de deslizamento não gira). Uma vez que a placa de deslizamento está a

um certo ângulo o pistão alterna dentro do cilindro. Em uma das metades do ciclo de rotação,

o pistão sai do bloco do cilindro e gera um volume crescente. Na outra metade do ciclo de

rotação, este pistão entra no bloco e gera um volume decrescente. (Brasil A.N., 2010)

Na prática, o tambor do cilindro é adaptado com muitos pistões. As sapatas dos pistões

são forçadas contra a superfície da placa de deslizamento pela sapata e pela mola. Para separar

o fluido que entra do fluido que sai, uma placa de orifício é colocada na extremidade do bloco

do cilindro, que fica do lado oposto ao da placa de deslizamento. (N. Brasil, 2010)

Um eixo é ligado ao tambor do cilindro, conforme a figura 7, que o conecta ao elemento

acionado. Este eixo pode ficar localizado na extremidade do bloco, onde há fluxo, ou, como

10

acontece mais, ele pode ser posicionado na extremidade da placa de deslizamento. Neste caso,

a placa de deslizamento e a sapata têm um furo nos seus centros para receber o eixo. Se o eixo

estiver posicionado na outra extremidade, a placa de orifício tem o furo do eixo. (Brasil A.N.,

2010)

As vantagens da bomba de pistão é o baixo nível de ruído, uma baixa pressão de alívio,

suporta mudanças extremas de pressão que geram efeito mínimo no desempenho e podem ser

usadas para fluidos viscosos, elevados volumes de gases, sólidos se forem projetadas para isso.

(Brasil A.N., 2010)

Figura 7 - Representação de uma bomba parafuso

Fonte: Hidrautec (2017)

2.1.3.2 Bomba Diafragma

A bomba diafragma é uma bomba de deslocamento positivo, do modulo alternativo, a

bomba possui um diafragma que faz um movimento alternativo que gera uma ação de

bombeamento. O diafragma pode ser acionado por um liquido ou ar. (Blog Mecânico Industrial,

2011)

Com a ação dos atuadores, o diafragma retrai e contrai dentro da câmara de liquido.

Quando o diagrama se projeta para fora da câmara de líquido, o volume da câmara aumenta e

a pressão dentro da câmara diminui, fazendo com que a válvula de entrada abra e o liquido é

retirado. Quando o diafragma se projeta na câmara, o volume da câmara diminui e aumenta a

pressão que abre a válvula de saída e o líquido é bombeado para fora da câmara. Este

11

movimento do diafragma pode ser obtido por um êmbolo hidráulico ou por pressão de ar. (Blog

Mecânico Industrial, 2011)

As bombas diafragmas de ar são uma bomba de transferência muito eficiente. Estas

bombas podem bombear líquidos de diversas viscosidades sendo ela baixa, alta ou media.

Também são projetadas para bombear líquidos que tenham resíduos de sólidos em sua

composição. (Blog Mecânico Industrial, 2011)

A maioria das bombas de diafragma de ar necessita de uma instalação que tenha uma

entrada de ar para operar de forma eficiente, estes tipos de bombas não tendem a bombear com

muita precisão na sua extremidade inferior. (Blog Mecânico Industrial, 2011)

Figura 8 - Representação de uma bomba diafragma

Fonte: Indessur (2015)

2.1.4 Turbomáquinas

Turbomáquinas ou máquinas dinâmicas, o fluido não se encontra em nenhum momento

confinado dentro da carcaça da máquina, mas sim num fluxo através dela, estando sujeito a

variações de energia devido aos efeitos dinâmicos da corrente. Neste equipamento o fluxo é

orientado por meio de laminas ou aletas ligadas a um elemento chamando rotor. A energia

transferida é definitivamente cinética, através da variação de velocidade do fluido entre as pás,

deste a entrada e saída do rotor e diferencial de pressão. (Brasil A.N., 2010)

Existem 4 tipos de direções de escoamento em turbomáquinas sendo eles axiais, radiais,

mista ou diagonal e tangencial. O axial é um escoamento na direção do eixo, o fluido entre e

sai do rotor na direção axial, utilizado em grandes vazões e em pequenas alturas. Já o radial o

escoamento predominante é na direção radial, o fluido entra no rotor na direção axial e sai na

direção radial. Sua principal característica o recalque de pequenas vazões a grandes alturas e

12

predominante em bombas centrifugas. No misto ou diagonal o escoamento é na direção

diagonal, parte axial e parte radial. Por fim, o escoamento tangencial é na direção tangencial do

rotor conforme a figura 9. (Brasil A.N., 2010)

Existem 3 tipos de rotor: sendo eles o aberto, semi-aberto e o fechado. O rotor aberto é

para bombas de pequenas dimensões, baixa resistência e baixo rendimento. Já no rotor semi-

aberto tem-se apenas o disco onde é fixado as aletas. No fechado que é usado para bombear

líquidos limpos, são discos com as palhetas fixadas em ambos os lados evitando a recirculação

de água, ou seja, o retorno de água a boca.

Figura 9 - Representação de todos os tipos de escoamentos


2.1.4.1 Bombas Centrifugas

Nas bombas centrifugas a energia se desloca ao fluido pela parte giratória do eixo onde

é instalado o rotor. A capacidade do rotor e suas propriedades são capazes de modificar a forma

de cada bomba centrifuga, influenciando principalmente a maneira de conduzir a energia até o

fluido. (Souza, 2014)

A bomba é acionada mecanicamente por um eixo rotativo, conforme figura 10, a rotação

do rotor da bomba transfere energia para o fluido através das palhetas do rotor. O fluido de

sucção entra no rotor que possui uma cavidade de diâmetro menor internar, a partir de onde

escoa em direção a diâmetros maiores entre a palheta do rotor. (Souza, 2014)

Uma bomba centrifuga necessita ser escolhida em vista de sua aplicação: a simples

instalação de uma bomba centrifuga qualquer na instalação não é garantia do funcionamento

perfeito. A aplicação requer adequação entre a bomba instalada, com o sistema de tubulação e

do fluido a ser bombeado. (Souza, 2014)

13

De acordo com Gomes (2010) a bomba centrífuga é o equipamento utilizado para

transportar líquidos no saneamento básico, na irrigação de lavouras, nos edifícios residenciais

e na indústria, por operarem com sensível variação de vazão e pressão.

Figura 10 - Representação de uma bomba centrifuga

Fonte: Mecânica Industrial (2015)

2.2 Bombeamento Hidráulico

As bombas são utilizadas em circuitos hidráulicos, conforme figura 11, para converter

energia mecânica em hidráulica. A força mecânica cria um vácuo parcial na entrada da bomba,

o que faz com que a pressão atmosférica force o fluido do tanque, através da linha de sucção a

penetrar na bomba. A bomba passará o fluido para a abertura de descarga, forçando-o através

do sistema hidráulico. (Brasil A.N., 2010)

As bombas são classificas, geralmente, por capacidade de pressão máxima de trabalho,

pelo seu deslocamento, em litros por minuto, sua rotação, altura manométrica, diâmetro de

sucção e diâmetro de recalque. (Brasil A.N., 2010)

14

Figura 11 - Representação de uma instalação de bombeamento


2.3 Posicionamento das bombas

Existem duas formas de instalar uma bomba em relação ao nível do reservatório de

sucção em sistema de recalque. A primeira forma é instalar uma bomba abaixo do nível da água,

que assim a bomba se torna afogada e de sucção positiva. A segunda forma é quando o nível da

bomba esta superior ao nível do reservatório, que assim a bomba se torna não afogada e de

sucção negativa. (Tsutiya, 2004)

Bombas afogadas são mais fácil de operação, pois a água escoa naturalmente para dentro

da bomba, não sendo necessário realizar o escorvamento da bomba, que é o processo de

introduzir água até encher a bomba e o tudo de sucção, para que seja possível iniciar o processo

de bombeamento. (Macintyre,1997)

15

Figura 12 - As duas formas de instalar uma bomba: afogada e não afogada

Fonte: Tsutiya, (2004)

2.4 Tubulação Industrial

Chama-se tubulações de processo, as tubulações do fluido que constituem na tarefa de

processamento, armazenamento ou na distribuição na empresa. Como em tubulações de óleos

em refinaria, terminais e instalações de armazenamento ou distribuição de produtos de petróleo.

(Senai, 2012)

Existem dois tipos de tubulação: tubulação no interior das áreas de trabalho ou

processamento, utilizada no processamento e na drenagem. A distinção deste tipo é muito

grande em muitos casos para um bom serviço, a relação de materiais, o arranjo de tubulação,

tipos de suporte e o grau é necessário. Já as tubulações fora da instalação industrial abrange

tubulação de transporte e distribuição. (Portal Metálica, 2011)

Tubulação é um conjunto de tubos e acessórios voltados ao processo industrial,

principalmente para distribuição de gases, óleos, vapores, lubrificantes e demais líquidos

industriais e, chegam a representar 70% do custo dos equipamentos, ou 25% do custo total da

instalação. (Portal Metálica, 2011)

2.4.1 Materiais para tubulação industrial

A ASTM é o órgão americano responsável pela normatização e padronização de

materiais para várias áreas das industrias totalizando 500 tipos de materiais utilizados na

16

fabricação de tubulação industrial. Dentre os materiais catalogados pela ASTM, destaca-se os

mais utilizados: tubo metálico (ferroso e não ferrosos). (Senai, 2012)

Essa gama de materiais exige um maior reparo para a melhor escolha antes da fabricação

do tubo. Pois existem diversos fatores que influenciam e se opõem, o que torna essa seleção

ainda mais complexa. Diversos itens que atuam nesta decisão, como fluido a ser conduzido,

condições de serviço, nível de tensão do material, natureza do esforço mecânico,

disponibilidade do material, sistemas de ligações, custo do material, segurança, facilidade de

fabricação e montagem. (Tubo Metal, 2013)

O ferro é a composição mais importante para o grupo de matérias ferrosos, as ligas

ferrosas são extremamente versáteis, no sentindo em que elas podem ser adaptadas em uma

ampla variedade de propriedades mecânicas e físicas, uma desvantagem desta liga é que é muito

sensível a corrosão. Os aços com um baixo teor de carbono, possuem uma ductilidade e uma

tenacidade incrível, são fáceis de usinar e soldar e são aços mais baratos para serem produzidos

sendo encontrados em automóveis, chapas de tubulação e edificação. Já os aços com médio teor

de carbono possuem uma elevada resistência a abrasão e tenacidade, sendo aplicado em rodas

de trem, engrenagem e virabrequins. Os aços de alto teor de carbono são mais duros, mais

resistentes, porem são menos dúcteis dentre todos os outros aços, são utilizados como

ferramentas de corte, fabricação de facas, laminas de serras para metais e molas. (Samuels,

2000)

As ligas metálicas dos não ferrosos não tem como predominância o ferro, sendo ligas

de cobre que é mais mole e dúctil sendo difícil de ser usinado. As ligas de cobre e zinco são

dúcteis e facilmente submetidos a deformação plástica a frio. As ligas de latão são mais duráveis

e mais resistentes. As ligas de bronze são mais resistência que a liga de latão e possui um nível

de resistência a corrosão. A liga de alumínio que é caracterizada por uma densidade baixa,

condutividade elétrica e térmica elevada e uma resistência a corrosão em atmosfera ambiente.

(Samuels, 2000)

2.4.2 Acessórios para tubulação industrial

São componentes utilizados em sistemas de tubulação e encanamentos para

conectar diretamente com tubos ou partes de tubulação, para se adaptar em diferentes formas e

tamanhos, regulando também o fluxo de vazão. Estas peças podem ser caras, e requer tempo

para instalação, assim que são uma parte trivial de sistemas de escoamento e canalização. (Cpm,

2010)

17

2.4.2.1 Meios de ligação de tubulações

A diversos meios usados para conectar tubulações, mas esses itens também são

utilizados para conectar as válvulas aos tubos, conexões e demais acessórios de tubulação aos

equipamentos. (Telles, 2001)

Os principais meios de ligações de tubos são os seguintes:

- Ligações Rosqueadas

- Ligações Soldadas

- Ligações Flangeadas

A escolha do melhor meio de ligação é feita por vários fatores entre os quais: material

e diâmetro de tubulação, finalidade e localização, custos, pressão de trabalho, fluido contigo,

necessidade ou não de desmontagem, existência ou não de revestimento interno. (Telles, 2001)

2.4.2.2 Ligações Rosqueadas

Os acessórios rosqueados são usados em tubulações prediais e industrias secundarias

(água, ar, condensado de baixa pressão, etc) todas até 4”. Utilizado também esses acessórios

nas tubulações que devido ao tipo de material e serviço, conforme figura 13, que sejam

permitidas ligações rosqueadas. (Cpm, 2010)

Figura 13 - Representação de acessórios rosqueados

Fontes: CPM, 2010

Está união é utilizada quando se deseja que a ligação seja facilmente desmontável, ou

em arranjos fechados, onde sem a existência de uniões o rosqueamento seria impossível. A

18

vedação entre duas meias uniões é conseguida por meio de uma gaxeta que é comprimida com

o aperto da porca, ou por meio de sedes metálicas usinadas. (Telles, 2001)

2.4.2.3 Ligações Soldadas

São a maioria dos acessórios utilizados em tubulações maiores de 2” no meio industrial.

São fabricados em aço carbono, aços-ligas e em aços inoxidáveis, a partir de tubos e chapas.

Todos os acessórios externos com os chanfros padrões para a possível a solda. A espessura da

parede dos acessórios devem ser igual ao do tubo para permitir a solda perfeita. (Cpm, 2010)

Os diferente tipos de acessórios utilizados em diferentes casos, conforme a figura 14.

Figura 14 - Representação de acessórios soldados

Fontes: CPM, 2010

As principais desvantagens, são as dificuldades na desmontagem da tubulação para

melhorias e a necessidade de mão de obra especializada para a sua execução, e por esta operação

ser um trabalho a quente, que em muitos dos casos o fluido é inflamável ser torna mais difícil

o trabalho, visando cuidados com segurança particular dos trabalhadores e também a segurança

ambiental com combustíveis explosivos. (Telles, 2001)

2.4.2.4 Ligações Flangeadas

Os acessórios flangeados, conforme a figura 15, são fabricados principalmente de ferro

fundido e são de uso bem mais raro do que os de flanges e acessórios já citados.

19

Figura 15 - Representação de acessórios soldados

Fontes: CPM, 2010

As ligações flangeadas, com uma característica de fácil desmontagem é empregada em

principalmente para tubos de 1” ou maiores, a ligação flangeada é responsável de ligar os tubos

as válvulas e equipamentos como bomba, compressores, tanque, vasos comunicantes ou pontos

que precisam de uma facilidade na desmontagem na tubulação em casos de manutenção.

(Telles, 2001)

A ligação por flange também é muito utilizada em tubulação com revestimentos

internos. Para esta tubulação as ligações flangeadas, ainda que mais caras, podem ser a melhor

solução, principalmente em trabalhos com alta pressão, porque permite a perfeita continuidade

do revestimento, desde que seja flange a flange. Em alguns casos estas tubulações precisam de

limpezas por conta do fluido ser muito sujo. (Cpm, 2010)

2.4.3 Válvulas

As válvulas são dispositivos que estabelecem controle e interrompem o fluxo em uma

tubulação. São os acessórios mais importantes na tubulação, por isso deve ter muito cuidado

em sua seleção, especificação e local de instalação. Em instalações é necessário ter o sempre o

menor número possível de válvulas, compatível com a sua característica, porque as válvulas

são equipamentos caros, onde tem a possibilidade de vazamentos (em juntas, gaxetas, etc) e

que introduzem uma grande perda de carga na linha de distribuição. As válvulas hoje

representam certa de 8% do custo total de uma instalação e sua localização precisa ser estudada

com muito cuidado, para que a manobra de manutenção seja fácil. (CPM, 2010)

20

2.4.3.1 Classificação de Válvulas

Existe uma variedade de classificações de válvulas, algumas de uso geral, outras com

finalidade específica para a empresa. São os seguintes tipos mais importantes de válvulas:

1. Válvula de Bloqueio

- Válvula Gaveta

- Válvula de macho

- Válvula de esfera

- Válvula de comporta

Estas válvulas são utilizadas para interromper o fluxo, podem ser utilizadas em indústria

onde existem condições de corrosão aliadas a pressão e temperaturas altas. São simples de

fechamento rápido, conforme figura 16. Estas válvulas costumam ser do mesmo tamanho

nominal da tubulação. (Matulaitis, 2014)

Figura 16 - Representação de uma válvula gaveta

Fontes: Matulaitis, 2014

2. Válvulas de Regulagem

- Válvula Globo

- Válvula de Agulha

- Válvula de controle

- Válvula de borboleta

21

- Válvula de diafragma.

- Válvula elétrica reguladora de vazão

Válvula de regulagem são destinadas para controlar o fluxo, podendo por isso trabalhar

em qualquer posição de fechamento parcial. Uma classe de válvula que pode ser encontrada em

qualquer tipo de tamanho e aplicada em diferentes níveis de temperatura e pressão, conforme

figura 17. (Cpm, 2010)


Fontes: CPM, 2010

3. Válvulas de Prevenções de fluxo.

- Válvulas de retenção

- Válvulas de retenção e fechamento

- Válvulas de pé

A característica dessa classe de válvula é a prevenção automática do retorno do fluxo na

tubulação, conforme figura 18. Existem várias formas para atender a variadas condições,

exemplo como pulsante, movimento horizontal ou vertical. Existem diferentes tipos de tamanho

e são aplicadas em ampla faixa de pressão e de temperatura. Uma utilidade frequente desse tipo

de válvula é ser utilizada para manter o liquido na linha de recalque de bombas, fazendo com

que ele não retorne. (Telles, 2001)

22


Fontes: Telles, 2001

4. Válvula que controla pressão de jusante e montante

- Válvula de alívio

- Válvula de excesso de vazão

- Válvula de contrapressão

- Válvula quebra-vácuo

- Válvula reguladora de pressão

- Válvula pneumática

São válvulas de segurança e de proteção com a finalidade de aguentar as várias pressões

excessivas dos fluidos de trabalho. Estas válvulas precisam ser inspecionadas periodicamente,

conforme figura 19, para ter certeza do seu funcionamento e seu perfeito estado, pois em uma

falha deste equipamento, pode se resultar em um grande desastre para a empresa. (Matulaitis,

2014)


Fontes: Matulaitis, 2014

23

2.4.4 Filtro cesto Simplex

O filtro tipo cesto simplex é basicamente utilizado para a proteção de equipamentos

como bombas, medidores de vazão, bicos spray, sistemas de refrigeração entre outros. O filtro

dispensa qualquer uso de ferramenta para manutenção. Possui um corpo único e robusto com

duas câmaras de filtragem interligadas por uma válvula central para o desvio do fluxo para uma

câmara a outra, conforme a figura 20. A vedação é feita através de anel “O” que garante a

perfeita vedação. (Pro Mach, 2018)

Figura 20 - Representação de filtro cesto simples

Fonte: Purifil, 2014

2.4.5 Medidor tipo Turbina

O medidor de vazão tipo turbina é basicamente um rotor provido de palhetas suspenso

na corrente do fluido por um eixo de rotação paralelo a direção do fluido. O medidor é acoplado

diretamente na tubulação do fluido através de conexões de rosca ou flange. Com o diâmetro até

de 12”, este medidor é utilizado para medir a vazão do fluido na linha de processo podendo ser

fabricado de diversas maneiras para atender a imensa gama de tipos de fluidos. (Incontrol, 2016)

O fluido que passa no interior da tubulação aciona um rotor montado axialmente dentro

do medidor de vazão. A velocidade que gira esse rotor é proporcional à velocidade de

deslocamento do fluido no processo. Um sensor acoplado dentro do corpo do medidor,

conforme figura 21, tem o seu campo magnético alterado a cada passagem de uma das pás do

rotor, gerando um sinal elétrico que é amplificado e processado na forma de frequência ou

24

corrente. Um indicador digital, pré-determinado e totalizador, interpreta este sinal e contabiliza

a totalização de litros passado pelo medidor. (Contech, 2015)

Figura 21 - Representação do medidor tipo turbina

Fonte: Incontrol, 2016

2.4.6 Sensor de temperatura PT100

A termorresistência é um instrumento que consegue reconhecer a temperatura de um

ambiente, fazendo relação com a resistência elétrica do material e a sua temperatura. A

termorresistência, a maior parte das vezes, é feita de platina. Quando se fala de uma

termorresistência ela é identificada pelo material que a constitui e pela resistência que apresenta

a 0°C. (Unicamp, 2002)

O PT100 uns dos controladores de temperatura mais conhecido é constituído por uma

bainha metálica, conforme a figura 22, que protege o elemento resistivo que permite a

verificação do sinal de saída do aparelho. O elemento PT100 é feito com um material puro cuja

sua resistência varia conforme a variação de temperatura. Está variação de resistência é o que

apresenta a temperatura na linha do processo. (Termopares, 2013)

25

Figura 22 - Representação do PT 100

Fonte: Termopares, 2016

A vantagem da utilização do PT100 é que um dos sensores mais precisos que temos hoje

no mercado. Ele proporciona uma precisão de qualidade e fornece excelentes estabilidades e

repetibilidade. (Omega, 2015)

26

3. APRESENTAÇÃO ESTUDO DE CASO

Neste capitulo será apresentado de forma resumida todos os combustíveis que a

distribuidora comercializa.

3.1 Combustível

O combustível é uma substância que reage com o oxigênio liberando energia, utilizado

de modo vigoroso, na forma de calor, chamas e gases. Libertam a energia nelas contidas em

forma de energia potência a uma forma de utilizável. Está forma de energia é utilizado em

usinas termoelétricas ou para acionar motores de veículos. (Brian, 2000)

O poder calorífico de um combustível é dado pelo número de calorias desprendida na

queima do mesmo. Os combustíveis são classificados segundo os estados em que se apresenta

(solido, liquido ou gasosos). (Portal Francisco, 2010)

Tabela 1 - Tipos de combustíveis naturais

Estado Físico Combustíveis Combustíveis Artificias

Sólido Lenha, turfa, carvão Coque, briquetes, carvão vegetal, tortas vegetais.

Líquido Petróleo Produtos de destilação de petróleo de alcatrão: álcool,

gasolina sintética.

Gasoso Gás Natural Hidrogênio, acetileno, propano, butano, gás de

iluminação, gás de gasogênio, gás de alto.

Fonte: Fuel Economy, 2010

Os principais combustíveis solidos é a matéria e os produtos de sua decomposição

natural, a turfa e o carvão. Para que um sólido possa ter valor como combustível é necessário

que haja um poder calorifico tão elevado quanto possível e queime com facilidade. (Ceeeta,

2012)

O combustível líquido tem certas vantagens em comparação com os sólidos, tais como

poder calorifico elevado, maior facilidade e economia de armazenagem e fácil controle de

consumo. A maioria dos combustíveis líquidos são obtidos a partir do petróleo (gasolina,

querosene, óleo diesel e álcool). (Brasil escola, 2013)

O combustível gasoso tem um baixo custo, porque são obtidos como subprodutos, são

combustíveis mais homogêneos porque se misturam melhor com o ar. Esta particularidade

contribui para uma distribuição melhor. (Brasil escola, 2013)

27

3.1.1 Combustível Etanol Hidratado

Em postos de combustível, o álcool hidratado é aquele vendido como etanol comum, ou

apenas etanol. No Brasil, ele é feito principalmente através da fermentação da cana-de-açúcar

mas também podendo ser obtido através de outros vegetais. (Nova Cana, 2013)

O álcool precisa passar por várias series de processos e pré-requisitos, chamados de

especificações estabelecidas pela Agência Nacional de Petróleo (ANP). Estas especificações

constam que ele precisa ser líquido, transparente, isento de impurezas, com graduação alcoólica

92,5 a 94,6, massa especifica a 20°C está entre 805,2 a 811,2 kg/m³, PH neutro e com tolerância

extremamente pequena de mineira e mais como ferro, sódio e cobre. (ANP, 2002)

Por ser nacionalmente comercializado e ter baixo custo, o preço do etanol é sempre

comparado com o da gasolina, o etanol por ser produzido pela cana-de-açúcar diminuindo

consideravelmente a emissão de gases responsáveis pelo feito estufa. Com a produção do etanol

gera substratos como bagaço e palha da cana-de-açúcar, que produz o vapor e gera energia

térmica, mecânica e elétrica. O etanol nem sempre é economicamente vantajoso para o

consumidor, isso depende muito do preço já que o álcool rende menos que a gasolina e em

região muito fria o álcool perde a capacidade de combustão quando está abaixo de 13°C. (Nova

Cana,2013)

3.1.2 Combustível Etanol Anidro

Além do etanol comum, existe também o etanol anidro que está presente como

combustível em uma mistura com a gasolina. Sua graduação alcoólica está próxima a 100%,

sua máxima especifica a 20°C é no máximo 791,5 kg/m³, este álcool precisa ser líquido,

transparente e isento de impurezas. (ANP, 2002)

O processo de fabricação é parecido com ao do etanol hidratado, a única diferença

encontrada nesse processo é que o etanol anidro passa pela etapa de desidratação para retirar a

água por meio de destilação. (Bio Blog, 2016)

O etanol anidro é misturado na gasolina como uma estratégia para torna a gasolina mais

barata, além de diminuir a emissão de poluentes na atmosfera, aumentar sua octanagem. O

Brasil atualmente é obrigatório utilizar nesta mistura certa de 27% de anidro, mais de 40 países

como Estados Unidos, Canadá, Paraguai e China também utilizam esta mistura, porem com

uma proporção inferior. O etanol anidro ainda é utilizado em outros produtos como fabricação

de tintas, vernizes, solventes, bebidas destiladas, entre outros produtos. (Nova Cana, 2013)

28

3.1.3 Combustível Biodiesel

O biodiesel é um combustível renovável, ele é produzido a partir de fontes vegetais

(soja, mamona, dendê, girassol, entre outros). Ele foi criado para substituir os combustíveis

derivados do petróleo e oferecer uma opção sustentável para o abastecimento de carros e

caminhões. A sua especificação é que precisa ser límpido e isento de impurezas e sua massa

especifica a 20°C está entre 850 a 900 kg/m³. (InfoEscola, 2006)

A produção de biodiesel tem um impacto positivo ele gera baixos índices de poluição,

não colaborando com as taxas de aquecimento global. Um outro ponto positivo é que a

fabricação do combustível gera empregos tanto no campo quanto na indústria em virtude de sua

produção. Trata-se de uma fonte de energia renovável, dependendo apenas da plantação de

grãos no campo sendo assim um baixo custo comparado com os derivados do petróleo. (Knothe,

2012)

O biodiesel tem dificuldade na sua obtenção e inadaptações mecânicas dos veículos

existentes na sua produção. A produção do biodiesel em grande escala demandas profissionais

especializados, equipamentos sofisticados, ao contrário do pensamento de muitos a síntese

envolvida na fabricação desse combustível exige conhecimentos profundos em química

orgânica, bioquímica e físico-química. (Knothe, 2012)

3.1.4 Combustível Gasolina

Entre os derivados do petróleo obtidos através do seu refinamento, um dos mais

importantes é a gasolina. Visto que ela é usada na maioria dos veículos como automóveis,

motocicletas, caminhões e aviões, ela traz um grande retorno econômico para a indústria. Suas

especificações são regulamentadas pela ANP, sendo que a gasolina precisa ser liquida, límpida,

isenta de impurezas, incolor amarelada e sem corante. (Fogaça, 2015)

Existem vários tipos de gasolina, a gasolina A é produzida pelas refinarias de petróleo

e entregue diretamente as companhias distribuidoras. Não possui álcool anidro, em sua

composição é a gasolina pura. O álcool anidro é adicionado nas bases de carregamento das

distribuidoras de combustível. A gasolina que apresenta uma fórmula especial que tem maior

octanagem, portanto resistência a detonação é a gasolina comum. Está gasolina comum

(Gasolina C) é que possui a mistura com o etanol anidro em sua composição. (Souza, 2002)

A gasolina aditivada é gasolina onde é adicionado um pacote de aditivos multifuncional

que tem como principal vantagem a minimização da formação de depositos nos carburadores e

nos bicos injetores, bem como no coletor de admissão e nas hastes das válvulas de admissão.

29

Isto reduz o intervalo de limpeza dos bicos injetores e carburadores além de maior segurança

como, por exemplo, reduzir a probabilidade de falha. (Souza, 2002)

3.1.5 Combustível Diesel S500 e S10

O diesel é um óleo derivado da destilação do petróleo bruto usado como combustível

nos motores a diesel, constituído basicamente por hidrocarbonetos. O óleo diesel é um

composto, que em sua principal formação é por átomos de carbono, hidrogênio e em baixas

contrações de enxofre, nitrogênio e oxigênio. (Mundo Educação, 2016)

O diesel S500 comum é um óleo diesel mais simples, teor de enxofre máximo de 500

ppm (parte por milhão), pode ser em qualquer veículo movido a óleo diesel fabricado até 2012,

possui número de cetano mínimo 42. Com um número de cetano mais elevado, há um menor

da ignição e uma melhor qualidade de combustão. Sua especificação de qualidade é que precisa

ser líquido, límpido, isento de impurezas, vermelho, com massa especifica a 20°C entre 815 a

865 kg/m³, a sua condutividade mínima de 30 pS/m e sem presença de água. (Quezedo, 2016)

Já o diesel S10 foi um fruto de várias pesquisas para encontrar uma fórmula mais

eficiente e menos poluente, o diesel S10 já é amplamente comercializado no país e facilmente

encontrado nos postos de distribuição. Com seu teor de enxofre de no máximo 10 ppm (parte

por milhão), deve ser utilizado em motores mais novos que é devidamente otimizado para este

combustível garantindo assim mais eficiência, menos ruídos e menor emissão de poluentes na

atmosfera. Sua especificação de qualidade é que precisa ser límpido, isento de impurezas,

amarelada, com massa especifica a 20°C 815 a 850 kg/m³, a sua condutividade mínima de 30

pS/m e sem presença de água. (ANP, 2012)

3.2 Operação de Carregamento

No processo de carregamento top loading, ou carregamento “por cima”, o motorista se

dirigi a plataforma de carregamento após dar entrada no centro de distribuição de combustível

e faturado seu pedido. O motorista posiciona seu Auto Tanque na plataforma de carregamento.

Após desligar o veículo e colocar todos os equipamentos certos de proteção individual para esta

operação, o motorista desce do auto tanque, deixando qualquer tipo de equipamento eletrônico

dentro da cabine por motivos de segurança. (Bizinotto, 2016)

Ao sair do caminhão o motorista precisa conectar o cabo terra no seu caminhão para

equalizar as energias cinéticas da baia de carregamento com o caminhão e desligar a chave geral

para que não ocorro nenhuma centelha, feito isso o motorista sobre nas baias de carregamento

e baixa a escada pantográfica de modo que ela encoste na lateral do AT, após se prender ao

30

dispositivo trava queda, conforme figura 23. Estando em cima do caminhão, o motorista abre a

escotilha do compartimento a ser carregado, posiciona o braço de carregamento do produto que

deseja ser carregado até o fundo do compartimento, travando ele nesta posição. Em seguida, o

mesmo retorna para a ilha de carregamento e lança os seus dados no computador da automação

do carregamento, iniciando o procedimento. (Bizinotto, 2016)

Figura 23 - Carregamento de Auto Tanque

Fonte: Bizinotto, 2016

Ao termino do carregamento, o motorista retorna para o topo do AT e retira o braço de

carregamento do compartimento fechando a escotilha. No caso de haver outro compartimento

a ser carregado, o processo se repeti podendo ter alteração no braço se no caso tiver alteração

do produto a ser carregado. (Bizinotto, 2016)

3.3 Operação de Descarga

No processo de descarga de caminhões tanque o motorista posiciona o auto tanque na

plataforma de descarga, após ter conferido na nota fiscal o pedido, o produto e o volume

recebido visando não fazer recebimento de produto indevido ou de outra unidade. O motorista

é orientado pelos operadores a posicionar o auto tanque devidamente na plataforma de descarga.

(Brasil Postos, 2013)

O caminhão precisa estar com a chave geral desligada evitando que ocorra nenhuma

centelha no mesmo, após isso aterrar o caminhão de forma que o caminhão equalize a

eletricidade com a plataforma de descarga. O operador então faz a conferência de lacres nas

bocas de descarga e sobe no AT utilizando o cinto paraquedista para a conferência de lacres

superiores. Após está verificação de lacre, o operado sobe e realiza o processo de qualidade

31

assegurando que o produto entregue não tenha nenhuma presença de água no caso dos derivados

do petróleo ou alguma impureza, no caso se o caminhão tiver mais de 1 compartimento é

realizado a coleta de 500 ml de cada compartimento no meio da massa do caminhão, conforme

figura 24. Com a amostra pronta do produto do caminhão, é realizado o controle de qualidade.

(Mcm, 2013)

Figura 24 - Representação caminhões tanque

Fonte: Inmetro, 2016

Com o combustível nos parâmetros de qualidade desejado é iniciado o processo de

descarga dos compartimentos, é acoplado um mangote de descarga na boca de descarga do

caminhão para que ocorra o escoamento de todo o compartimento. Com a abertura da válvula

de descarga o caminhão começa a ser descarregado. Desse modo ao final do escoamento do

caminhão é realizado uma conferência pelos operadores, verificando em cima do AT se o

mesmo foi totalmente drenado ao término da descarga. (Brasil Postos, 2013)

32

4. EQUACIONAMENTO

Neste capitulo vai ser apresentado todas as metodologias e equacionamentos que

precisam ser revisados para todos os cálculos deste trabalho.

4.1 Equação de Bernoulli para escoamentos

De acordo com a equação da continuidade, a velocidade do escoamento de um fluido

pode variar com a sua trajetória. A pressão também pode variar, ela depende da altura e também

da velocidade de escoamento. Pode se dizer que a relação entre pressão, a velocidade e a altura

do escoamento de um fluido ideal é chamada de equação de Bernoulli. A equação de Bernoulli

é uma peça fundamental para analisar escoamentos. (Instituto de Fisica, 2013)

Na equação de Bernoulli, se tem o gasto de energia que o fluido precisa para ser

deslocado da seção do reservatório de sucção até a sessão do reservatório de recalque, todas

essas energias precisam ser igual ao todo trabalho realizado por uma máquina mais as perdas

de cargas. Observando que as perdas de carga são o atrito com as paredes da tubulação,

viscosidade do fluido, resistência do escoamento, etc. (Vilanova, 2011)

Tem-se a equação de Bernoulli:

(𝑍1 +𝑃1

𝛾+

𝑉1²

2𝑔) − (𝑍2 +

𝑃2

𝛾+

𝑉2²

2𝑔) = 𝐻𝑚 + ∆ℎ𝑓 (1)

Sendo que,

𝐻𝑚: energia aplicada ou retirada de alguma máquina [m];

∆ℎ𝑓: perda de carga [m];

𝑍: carga de posição [m];

𝑃

𝛾: carga de pressão [m];

𝑉²

2𝑔: carga de velocidade [m].

4.2 Altura manométrica total

A altura manométrica total é a energia por unidade de peso que o sistema solicita para

o transporte do fluido do reservatório de sucção para o reservatório de descarga. Está energia é

fornecida pela bomba que é um dos principais parâmetros para a sua seleção. Em consideração

a equação de Bernoulli, quando observado em dois locais que está instalado a bomba, tem a

seguinte equação. (Azeredo, 2013)

33

𝐻𝑚 = 𝑍2 − 𝑍1 +𝑃2

𝛾−

𝑃1

𝛾+

𝑉2²

2𝑔−

𝑉1²

2𝑔+ ∆ℎ𝑓 (2)

4.3 Altura manométrica de recalque

A altura a manométrica de recalque é toda diferença de altura do bocal de recalque da

bomba ao reservatório. Pode ser calculado dessa maneira a altura manométrica:

𝐻𝑚2 = 𝑍2 +𝑃2

𝛾+

𝑉22

2𝑔+ ℎ𝑓2

(3)

Sendo que,

𝐻𝑚: altura manométrica de recalque [m];

∆ℎ𝑓: perda de carga no recalque [m];

𝑍: altura de recalque [m];

𝑃

𝛾: carga de pressão no recalque [m];

𝑉²

2𝑔: carga de velocidade no recalque [m].

4.4 Altura manométrica de sucção

A altura a manométrica de sucção é toda diferença de altura do bocal de sucção da

bomba ao reservatório. Pode ser calculado dessa maneira a altura manométrica:

𝐻𝑚1 = 𝑍1 +𝑃1

𝛾+

𝑉1²

2𝑔+ ℎ𝑓1

(4)

Sendo que,

𝐻𝑚: altura manométrica de sucção [m];

∆ℎ𝑓: perda de carga na sucção [m];

𝑍: altura de sucção [m];

𝑃

𝛾: carga de pressão na sucção [m];

𝑉²

2𝑔: carga de velocidade na sucção [m].

34

4.5 Cavitação

É um fenômeno que ocorre principalmente em sistemas hidráulicos e que consta na

formação de bolhas de vapor no meio do fluido. Isso ocorre porque a pressão estática absoluta

local cai abaixo da pressão de vapor do líquido, sendo assim causa a formação de bolhas de

vapor no corpo do líquido, isto é, a baixa pressão na linha de sucção. A cavitação causa vários

problemas. (Parker, 2012)

A implosão das bolhas de vapor e o impacto no impulsor faz com que ocorra um ruído

que é facilmente detectável. As bolhas de vapor, em um número elevado, formam um

agrupamento que irá obstruir o canal do impulsor afetando a altura manométrica gerada pela

bomba e sua eficiência. O impacto das bolhas na superfície do material é forte o suficiente para

provocar danos e erosão nas pás da bomba, conforme figura 25. (Parker, 2012)

Figura 25 - Representação das pás da bomba cavitada

Fonte: Menezes, 2016

4.6 NPSH

NPSH é o termo (Net Positive Suction Head) designado a um parâmetro responsável

por medir a pressão atmosférica e a pressão da coluna de líquido com a finalidade de evitar a

cavitação, ou seja, a formação de bolhas de vapor ou de gás em um determinado liquido. Sendo

assim, NPSH é fator fundamental para o bom funcionamento de bombas e diminuição de

perdas. (FlowExpert, 2018)

A função é mostrar pelo quanto a pressão vai existir, removendo o desnível e as perdas

de carga na tubulação de sucção, desde o reservatório até a entrada da bomba. Buscando estes

dois pontos de referência e utilizando a equação de Bernoulli, tem-se:

35

𝑍1 +𝑃1

𝛾+

𝑉1²

2𝑔= 𝑍3 +

𝑃3

𝛾+

𝑉3²

2𝑔+ ∆ℎ𝑠

(5)

Sendo que,

∆ℎ𝑠: perda de carga na sucção, é a soma das perdas da tubulação (ℎ𝑠) e a da entrada do rotor

(ℎ ∗), ou seja, ∆ℎ𝑠 = ℎ𝑠 + ℎ ∗;

𝑍3: altura da entrada da bomba;

𝑃1: reservatório de sucção;

𝑉1: velocidade reservatório de sucção desprezível;

𝑃3: ponto onde se iniciara a cavitação quando a pressão for igual a do vapor (𝑃𝑣)

Fazendo a consideração que 𝑍3 − 𝑍1 = 𝑍 , altura total de sucção e 𝑃1 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 ,

chegamos a um novo termo:

𝑃𝑎𝑡𝑚

𝛾= 𝑍 +

𝑃𝑣

𝛾+

𝑉3²

2𝑔+ ℎ𝑠 + ℎ∗ (6)

Existem 2 conceitos de NPHS:

NPSH Disponivel (NPSH d) que é a pressão absoluta exercida pelo sistema na entrada

da bomba.

A equação do NPSH d é feita desta maneira:

𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝 =𝑃𝑎𝑡𝑚

𝛾−

𝑃𝑣

𝛾− 𝑍 − ℎ𝑠

(7)

O NPSH Rquerido (NPSH r) é a pressão minima exigida na entrada da bomba para

evitar que ela sofra os efeitos da cavitação. O NPSH r é resultante do projeto da bomba e pelo

próprio fabricante.

A equação do NPSH r é feita da seguinte maneira:

𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟𝑒𝑞 =𝑉3²

2𝑔+ ℎ∗

(8)

Sendo assim, para uma bomba estar livre de cavitação o NPSH d tem que ser maior que

o NPSH r. (RZR, 2014)

36

4.7 Perda de Carga

As paredes internas de uma tubulação industrial influencia no escoamento do fluido,

dissipando sua energia em razão do atrito viscoso das partículas fluidas. As partículas em entrar

em contato com a parede interna da tubulação, adquirem a velocidade da parede e passam a

distribuir essa velocidade nas partículas vizinhas por meio de viscosidade da turbulência,

dissipando energia. Esta redução de energia provoca redução da pressão total do fluido ao longo

do escoamento, denominando perda de carga. (Moreira, 2010)

Nos escoamentos sob pressão a perda de carga tem duas causas. A primeira é a perda de

carga distribuída onde ocorre na parede dos dutos retilíneos que fornecem uma perda de pressão

distribuída ao longo do comprimento da tubulação, fazendo que a pressão diminua

gradativamente ao longo do comprimento. A segunda é a perda de carga localizada pelos

acessórios, as peças utilizadas nas tubulações que auxiliam na montagem, fluxo e escoamentos,

as quais provocam variação brusca de velocidade, em modulo direção, aumentando mais ainda

a perda de energia nos pontos localizados. (Moreira, 2010)

4.8 Viscosidade

Algumas substâncias fluidas tem certo grau de atrito interno e este wfenômeno é

conhecido como viscosidade. É uma força de atrito entre as camadas adjacentes do fluido. Em

outras palavras, a viscosidade é a resistência sob a forma de atrito interno. (Editorial Conceitos,

2017)

A viscosidade é o atrito interno nos fluidos devido as interações das moléculas do fluido,

sendo geralmente em função da temperatura. A viscosidade é a resistência interna do material

para fluir e deve ser compreendida como a medida do atrito do fluido. (ProLab, 2014)

Sendo assim viscosidade é dada por essa equação:

𝑣 =𝜇

𝜌

(9)

Sendo que,

𝜇: viscosidade dinâmica [Pa.s];

𝜌: massa específica [kg/m³];

𝑣: viscosidade cinemática [m²/s].

37

4.9 Rugosidade absoluta

Rugosidade é definida no caso particular de cada tubulação, aquela que possui alguma

anomalia interna, seja aquela por protuberância, rugas ou ainda crateras em sua estrutura interna

quando nova ou ao decorrer do funcionamento. A rugosidade é a responsável pelo atrito ou a

resistência a passagem do fluido, deformando o que seria ideal, um perfil de velocidade. A

consequência da resistência a passagem ou ao escoamento do fluido internamento sobre as

paredes do tubo é a perda de pressão ao longo do mesmo. (Raimundo, 2012)

Todos os materiais tem rugosidade absoluta diferente, conforme tabela 2

Tabela 2 - Rugosidade absoluta de materiais

Fonte: Raimundo, 2012

4.10 Vazão

Vazão é o volume ou massa de um determinado fluido, que passa por uma seção de uma

tubulação livre ou forçado por unidade de tempo. Vazão é a rapidez com a qual um volume

escoa. Vazão corresponde a taxa de escoamento, ou seja a quantidade de material transportado

através de uma seção por unidade de tempo. (Cassiolato, 2004)

Primeiro temos que definir a área do tubo, sendo assim a fórmula de cálculo de área de

um tubo circular:

𝐴 =𝜋. 𝐷²

4 (10)

Onde,

𝐷: diâmetro hidráulico do tubo [m]

38

Dessa forma o calculo da vazão:

𝑄 = 𝑉. 𝐴

(11)

Sendo que,

𝑉: velocidade média de escoamento [m/s];

𝐴: área da seção transversal do tubo [m²];

𝑄: vazão volumétrica [m³/s].

4.11 Número de Reynolds

Após vários experimentos na década de 1880, Osborne Reynolds demonstrou a

existência de 2 tipos de escoamento (laminar e turbulento). A transição destes dois tipos de

escoamento laminar ou turbulento depende muito da geométrica, da rugosidade, da velocidade

do escoamento, da temperatura da superfície e do tipo do fluido. O número de Reynolds é

dependente da razão entre as forças da inércia e as forças viscosas do fluido. (A. Cengel, 2015)

O escoamento laminar é caracterizado por linhas de correntes suaves e movimentos

altamente ordenado, conforme figura 26. Já um escoamento turbulento é caracterizado pelas

flutuações de velocidade e pelo movimento altamente desordenado, conforme figura 27. (A.

Cengel, 2015)

Figura 26 - Escoamento laminar

Fonte: EngBrasil, 2013

Figura 27 - Escoamento turbulento

Fonte: EngBrasil, 2013

Sendo assim o número de Reynolds é determinado:

39

𝑅𝑒 =𝜌. 𝑉. 𝐷

𝜇 =

𝑉. 𝐷

𝑣

(12)

Onde,

𝑅𝑒: número de Reynolds;

𝐷: diamêtro da tubulação [m];

𝜇: viscosidade dinâmica [Pa.s];

𝜌: massa específica do fluido [kg/m³];

𝑉: velocidade média de escoamento [m/s];

𝑣: viscosidade cinemática [m²/s].

Com esse experimento Reynolds concluiu que se o resultado encontrado for menor que

2000 o escoamento é laminar, se o resultado for entre 2000 e 4000 é considerado regime critico

que é onde relacionado a faixa de transição, se o resultado for maior que 4000 o escoamento é

turbulento. (Neto, 2015)

4.12 Fator de Atrito

O fator de atrito é um ponto adimensional utilizado para calcular a perda de carga. Ela

está ligado ao tipo de escoamento e a rugosidade relativa da tubulação. Sendo assim foram

desenvolvidas várias equações para encontrar o fator de atrito em cada escoamento.

Para escoamento laminar:

𝑓 =64

𝑅𝑒

(13)

Onde,

𝑓: fator de atrito;

𝑅𝑒: número de Reynolds.

Para escoamento turbulento liso, se utiliza a 1ª equação de Karmann-Prandtl:

1

√𝑓= 2𝑙𝑜𝑔.

𝑅𝑒. √𝑓

2,51

(14)

Para tubos rugosos, se utiliza a 2ª equação de Karmann-Prandtl:

40

1

√𝑓= 2 log 3,7

𝐷

𝑒

(15)

Com um objetivo de simplicifar, Moody desenvolveu uma representação gráfica em

escala logarítmica do fator de atrito em função do número de reynolds e a rugosividade relativa

de uma tubulação, conforme figura 28.

Figura 28 - Representação Diagrama de Moody

Fonte: KSB (2013)

4.13 Perda de carga localizada

As tubulações não são constituídas exclusivamente de tubos retilíneos e de mesmo

diâmetro. Geralmente as tubulações apresentam cursas, válvulas, cotovelos, retenções, etc, que

pela forma geométrica e disposição elevam a turbulência, resultando em perda de carga. (R.

Byron Bird,2004).

41

Estas perdas são denominadas perdas localizadas pelo fato de ocorrerem

especificamente em pontos determinados da tubulação ao contrato de perdas que ocorre em

todo o escoamento.

Uma das maneiras de calcular a perda de carga localizada é a utilização de tabelas que

se encontra os valores do coeficiente de perda de carga. Utilizando a perda para cada acessório

em função do seu diâmetro, conforme tabela 3. Com os dados 𝐿𝑒𝑞 é realizado a equação da

perda de carga localizada. (Ufla, 2007)

ℎ𝑙 = 𝑓𝐿𝑒𝑞

𝐷

𝑉²

2𝑔

(16)

Tabela 3 - Representação de perda de carga de equipamentos por diâmetro de tubulação

Fonte: KSB (2013)

4.14 Perda de carga distribuída

Perda de carga distribuída é a que relaciona o atrito do fluido na parede dos tubos, ela

pode ser expressada dessa maneira:

ℎ𝑐 = 𝑓𝐿

𝐷

𝑉²

2𝑔

(17)

42

Onde,


𝑔: aceleração da gravidade [m/s²];

𝐿: comprimento da tubulação [m];

𝐷: diâmetro da tubulação [m];

𝑉: velocidade do fluido [m/s].

4.15 Perda de carga total

A perda de carga total é a soma das perdas de carga distribuida e localizada que pode

ser representada da seguinte forma:

∆ℎ𝑓 = 𝑓𝐿𝑡

𝐷

𝑉2

2𝑔

(18)

Sendo que

𝑉: velocidade do fluido [m/s];


𝐿𝑡: somatório dos comprimentos da tubulação (𝐿) com os comprimentos equivalentes dos

acessórios (𝐿𝑒𝑞) [m];


𝐷: diâmetro da tubulação [m].

4.16 Velocidades recomendadas para recalque e sucção

A escolha do diâmetro da tubulação deve levar em conta os parâmetros econômicos e a

disponibilidade de diâmetros dos tubos comerciais. Na escolha dos tubos dois fatos são

importantes. O custo da tubulação a ser instalada e o custo operacional do sistema, as energias

gastas do fluido diminui com o aumento da tubulação. (Unicamp, 2012)

A soma dos custos fixos mais com os custos operacionais apresentam um valor mínimo

que é denominado diâmetro econômico, aquele que minimiza os custos totais de uma tubulação.

(Unicamp, 2012)

Com esse estudo foi desenvolvida um gráfico com indicações de viscosidade dos fluidos

e relacionado com a velocidade econômica para cada seção, conforme figura 29.

43

Figura 29 - Velocidade econômica

Fonte: Filho, 2018

4.17 Potência de bomba

A bomba é um equipamento mecânico que tem a força necessária para mover um fluido

a uma certa taxa especifica. Ele adiciona energia ao fluido, tomando a energia mecânica de um

eixo. Para fazer o cálculo da sua potência de eixo, temos: (Correia,2003)

𝑊𝑏 =𝜌𝑄𝑔𝐻

η

(19)

Onde,

𝜌: massa específica do fluido [kg/m³];

𝑄: vazão volumétrica [m³/s];


H: carga manométrica[m];

η : rendimento do motor.

A energia obtida através do fluido por uma coluna de água é a energia hidráulica. É uma

energia que aproveita o desnível ou queda d’água para geração de energia. Para ser aproveitada

em energia mecânica através de turbinas. A potência hidráulica que pode ser encontrada em um

desnível pode ser calculado como:

𝑊ℎ = 𝜌𝑄𝑔𝐻

(20)

44

5. CASO ESTUDADO

Neste capitulo é apresentado todo o detalhamento e a configuração da planta estudada,

em que é realizado o estudo hidráulico do sistema de bombeamento. Trata-se de um sistema de

tubulações de uma empresa de distribuição de combustível, que o foco vai ser o carregamento

e descarga do etanol hidratado, onde se tem todo o bombeamento por um conjunto moto-bomba

e será levantado a possibilidade de melhoria.

A planta da distribuidora é composta por 8 tanques sendo os dois primeiros de etanol

hidratado, conforme a figura 30, onde uma moto bomba proporciona o deslocamento do fluido

do tanque até baias de carregamento ou na operação de descarga dos caminhões até o tanque.

Figura 30 - Representação da distribuidora de combustível

Fonte: Próprio autor.

Foi realizado um estudo para verificar qual a perda de carga das linhas de carregamento

e descarga do produto, considerando que a bomba de carregamento é proporcionada para 144

m³/h, onde é divido pelos dois braços de carregamento resultando em uma vazão de 72 m³/h

para cada braço. O pior cenário é encontrado quando o segundo tanque está expedindo e

recebendo produto.

Para a realização dos cálculos foi considerado os valores, conforme tabela 4

45

Tabela 4 - Dados para cálculos

Massa especifica(Kg/m³)

Viscosidade dinâmica do etanol (Pa.s)

Rugosidade absoluta do aço carbono SCH 40 (m)

806 1,2. 10−3 9.10−5

Fonte: Próprio autor

O conjunto moto bomba de carregamento apresenta os seguintes paramentos: vazão de

144 m³/h, 1750 rpm, altura manométrica 30,4 metros, modelo Megachem 100-250, com um

motor 160m de 20 CV, na bomba de descarga tem-se os seguintes dados: vazão de 280 m³/h,

1750rpm, altura manométrica 30 metros, modelo BRF YD 31. S com um motor 180m de 30 cv.

É verificado a perda de carga nos pontos de vazão da bomba é de 144 m³/h e que atenderá

a necessidade de 72m³/h em cada braço, considerando um carregamento simultâneo.

46

6. RESULTADOS CARREGAMENTO

O sistema se encontra no tanque 2 onde foi verificado o pior cenário pela distância,

conforme a figura 31:

Figura 31 - Verificação de trechos do tanque até a plataforma de carregamento

Fonte: Próprio autor

Foi verificado que cada trecho tem diâmetros de tubulações diferentes e vários

acessórios, com isso foi construída uma tabela para implementação e descrição do trecho.

Tabela 5 - Característica de cada trecho

Trecho Diâmetro tubulação

Sucção / Recalque Descrição do trecho

Vazão

encontrada nos

medidores

1 12" Sucção Saída do tanque até a linha principal

3000 L/min

2 6" Recalque Bomba de hidratado até o final da

linha principal

3000 L/min

3 4" Recalque Linha principal até os braços de

carregamento

1500 L/min

Fonte: Próprio Autor

47

6. 1 Cálculo de perdas carregamento

Trecho 1 tem uma distância total de 74,4 metros de comprimento e possui os seguintes

acessórios:

Tabela 6 - Acessórios trecho 1

Quantidade Acessórios Leq (m) Leq-TOTAL (m)

3 Válvula gaveta 2,1 6,3

3 Curva 90° 3,6 10,8

3 Curva 45° 2,2 6,6

Total equivalente (m) 23,7

Fonte: Proprio autor

Com base nestes parametros foi encontratados o seguintes resultados, conforme tabela

6:

Tabela 7 - Resultados Trecho 1

Diametro

interno Velocidade

Rugosidade

relativa

(mm)

L-total Fator de

atrito

Perda de

Carga total

0,303m 0,692m/s 0,0002968 98,1 0,0185 0,1462m


Trecho 2 com a tubulação de 6” tem uma distância total de 36,55 metros de comprimento

e possui os seguintes acessórios:




1 Retenção 1,5 1,5

5 Curva 90° 1,9 9,5




8:

Tabela 9 - Resultados trecho 2

Diametro

interno Velocidade

Rugosidade

relativa

(mm)

L-total Fator de

atrito

Perda de

Carga total

0,149m 2,864m/s 0,0006037 53,85 0,01882 2,8429m




48


Quantidade Acessórios Leq Leq-TOTAL

6 Válvula esferica 1,1 6,6

20 Curva 90° 1,9 38

2 Redução 3” 0,021 0,042

2 Ampliação 4” 0,15 0,3



Como o trecho 3 existem dois braços de carregamentos, é preciso duplicar todos os

acessórios. Neste trecho tem um filtro tipo cesto e uma válvula elétrica, que foi disponibilizado

uma tabela pelo próprio fornecedor com todos as perdas de carga do filtro tipo cesto, conforme

figura 32.

O filtro instalado na distribuidora de combustível tem as características de ser malha 40.

Figura 32 – Perda de carga do filtro tipo cesto

Fonte: ProMach (2013)

Com uma vazão de 90m³/h e uma tubulação de 4 polegada temos uma perda de carga

de 25 kPa, conforme figura 33, multiplicando pelo fator encontrado (1,21) temos um resultado

de 30,25 kPa, sendo assim precisamos converter essa unidade de medida:

49

Figura 33 - Conversão de parâmetros


Sendo assim,

ℎ𝑝 =30250𝑃𝑎

806∗ 9,81 = 3,825 metros

Como no trecho 3 existe uma válvula elétrica para cada braço de carregamento, foi

disponibilizado pelo próprio fornecedor uma tabela com as percas de carga do equipamento,

conforme tabela figura 34.

Figura 34 - Perda de carga válvula elétrica

Fonte: OCV, 2017

Sendo assim,

1 psi = 6894,76

12 psi = 82737,1

ℎ𝑝 =82737,1𝑃𝑎

806∗ 9,81 =10,4639 metros

Neste trecho existe uma redução de 4” para 3” com um grau de 45º, foi verificado um

fator K de 0,04 , conforme figura 35.

50

Figura 35 - Fator K de uma redução

Fonte: Bistafa, Sylvio (2015)

Com base nesta informação é preciso encontrar a perda de carga localizada neste

equipamento utilizando a fórmula:

K = ℎ𝑝𝑉 ²

2𝑔

(19)

Onde,

K= perda de carga singular [m];

Hp = perda de carga no equipamento [m];

V = velocidade [m/s²];

g = gravidade [m/s²].

Com isso temos:

0,04 * 3,2468 ²

2∗9,81= ℎ𝑝

hp = 0,021m

Neste trecho, possui também uma ampliação de 3” para 4” com um resultado entre

diâmetros de 0,7619, foi verificado a perda de carga neste tipo de equipamento, conforme figura

36.

Figura 36 - Fator K de uma ampliação

Fonte: Bistafa, Sylvio (2015)

51

Com este resultado entre diâmetros precisa ser feito a interpolação para encontrar o fator

k correspondente a esse resultado.

Sendo assim,

0,15−0,10

0,6−0,8=

𝑘−0,10

0,7619−0,8 = 0,096

Utilizando a formula 19 é encontrado uma perda de carga localizada de:

0,096 * 5,592177²

2∗9,81= ℎ𝑝

hp = 0,15 m

Com base nestes parametros foi encontratados os seguintes resultados para os dois

braços de carregamento, conforme tabela 10:


Diametro

interno Velocidade

Rugosidade

relativa

(mm)

L-total Fator de

atrito

Perda de

Carga total

0,102m 3,043m/s 0,00088011 71,942 0,02049 6,8076m


6.1.1 Cálculo da altura manométrica total

Considerando os níveis e velocidades dos reservatórios de sucção e recalque, tem-se:

Sendo que,

∆ℎ𝑓 = 𝚺ℎ𝑓 + ℎ𝑓𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 + ℎ𝑓𝑣.𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟

∆ℎ𝑓 = 9,7967 + 7,6515 + 20,9278

𝐻 = 𝑍2 − 𝑍1 + ∆ℎ𝑓 = 4,7 − 1,3 + 38,376 = 𝐻 = 41,776 𝑚

Apenas com esse resultado já é possível identificar que não consegue vencer esse

desnível, sendo que a bomba de carregamento pode vencer apenas um desnível de 30,4 metros.

6.1.2 Cálculo carregamento ideal

Com base nestes dados será feito um novo cálculo com a vazão de 2000 l/min que é a

vazão ideal para operação dos dois braços de carregamento pela distribuidora de combustível.

Com isso, foi remanejado a vazão de todos os trechos conforme tabela 11.

52

Tabela 12 - Trechos ideais para distribuidora



Vazão

encontrada nos

medidores

1 12" Sucção Saída do tanque até a linha principal

4000 L/min

2 6" Recalque Bomba de hidratado até o final da

linha principal

4000 L/min

3 4" Recalque Linha principal até os braços de

carregamento

2000 L/min


Os acessórios de cada trecho vão ser o mesmo o que vai mudar será a vazão e os

parâmetros de cada trecho, sendo assim os resultados dos trechos conforme tabela 12, 13 e 14.

Tabela 13 - Resultado trecho 1 ideal

Diametro

interno Velocidade

Rugosidade

relativa

(mm)

L-total Fator de

atrito

Perda de

Carga total

0,30322m 0,9232m/s 0,0002968 98,1 0,01783 0,2505m



Diametro

interno Velocidade

Rugosidade

relativa

(mm)

L-total Fator de

atrito

Perda de

Carga total

0,14908m 3,8192m/s 0,0006037 53,85 0,0185 4,9682m



Diametro

interno Velocidade

Rugosidade

relativa

(mm)

L-total Fator de

atrito

Perda de

Carga total

0,10226m 4,0512m/s 0,0006037 71,942 0,0201 10,9270m



de 36 kPa, conforme figura 33, multiplicando pelo fator encontrado(1,21) temos um resultado

de 43,56 kPa, sendo assim precisamos converter essa unidade de medida:

ℎ𝑝 =43560𝑃𝑎

806∗ 9,81 = 5,5091 metros

53

6.1.1 Cálculo da altura manométrica total do carregamento ideal


Sendo que,

∆ℎ𝑓 = 𝚺ℎ𝑓 + ℎ𝑓𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 + ℎ𝑓𝑣.𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟

∆ℎ𝑓 = 16,14577 + 11,0182 + 20,9278

𝐻 = 𝑍2 − 𝑍1 + ∆ℎ𝑓 = 4,7 − 1,3 + 48,0917 = 𝐻 = 51,4917 𝑚

6.2 Solução para o carregamento

A seguir, serão propostas algumas soluções para o problema apresentado, a fim de

alcançar uma vazão volumétrica ideal para o sistema de carregamento.

6.2.1 Solução: Troca da bomba e o motor

A bomba existente na instalação é o modelo 100-250 da Megachen. Com as curvas de

campo de aplicação da bomba pode-se notar que o modelo 100-400, conforme figura 37, a

melhor escolha para o caso atual, a qual poderia suprir a demanda de energia para vencer a

perda de carga total encontrada, que gira em torno de 51,4917 m. Acrescentando mais 10% para

uma margem de segurança tem-se uma altura manométrica total de 57m.

Figura 37- Modelo de bomba megachen

Fonte: KSB Megachem, 2013

54

Com essa nova bomba será capaz de suprir a demanda de 2000 l/min em cada braço de

carregamento e também vencer a perda de carga de todo o sistema.

Nessa nova bomba precisa ser calculado a potência necessária que o motor precisa

disponibilizar para a bomba, sendo assim, foi verificado com o fornecedor o rendimento desta

bomba conforme figura 38.

Figura 38 - Verificação do rendimento da bomba

Com isso,

𝑊𝑏 =806∗ 0,066∗9,81∗57

0,725 = 41028,42 W

Sendo que,

1 watts = 0,0013 cv

41028,42 w = 55,8209 cv

O motor existente na operação de carregamento é de apenas 20 cv, por isso vou

verificado junto com o catalogo do fornecedor de motores WEG na seção de motores a prova

de explosão e o melhor motor para essa operação é o trifásico 225S/M com 60 cv e 1770 rpm.

6. 3 Estudo da descarga

Neste capitulo serão demonstrados todos os cálculos de se chegar em um resultado da

operação de descarga para dar soluções de melhoria e eficiência na rede da tubulação.

55

Nesta operação não existe nenhum medidor eletrônico que possibilita verificar quanto

que seria a vazão de descarga, sendo assim foi realizado todo o estudo na vazão que o terminal

de combustível desejaria para a descarga de etanol hidratado.

O sistema se encontra no tanque 2 onde foi verificado o pior cenário pela distância,

conforme a figura 39:

Figura 39 - Trechos tubulação descarga

Fonte : Proprio autor

Foi constado que cada trecho tem uma tubulação diferente e medidas de comprimento

diferente, para isso foi criado uma tabela para apresentar os dados:

Tabela 16 - Característica de cada trecho



Vazão

encontrada nos

medidores

1 6" Sucção Descarga dos caminhões até as

bombas

2000 L/min

2 8" Recalque Da tubulação principal até entrada

do tanque 2

2000 L/min

Fonte: Próprio Autor

56

6.3.1 Cálculo descarga ideal

Trecho 1 tem uma distância total de 44,8 metros de comprimento e possui os seguintes

acessórios:




4 Curva 90° 2,5 10

1 T passagem direta 3,4 3,4

1 Curva 45° 1,1 6,6

1 Retenção 1,5 1,5




de 9 kPa, conforme figura 33, multiplicando pelo fator encontrado(1,21) temos um resultado de

10,86 kPa, sendo assim precisamos converter essa unidade de medida:

Sendo assim:

ℎ𝑝 =10890𝑃𝑎

806∗ 9,81 = 1,3772 metros


13:


Diametro

interno Velocidade

Rugosidade

relativa

(mm)

L-total Fator de

atrito

Perda de

Carga total

0,149m 1,909m/s 0,0006037 69,6 0,0194 1,6834m







4 Curva 90° 3,3 13,2

1 T passagem direta 4,3 4,3

3 Curva 45° 1,5 4,5

1 Retenção pesada 25 25

1 Ampliação 6” – 8” 0,015 0,015


57


Neste trecho estudado, possui uma ampliação de 6” para 8” com um resultado entre

diâmetros de 0,7353, conforme figura 36.

Sendo assim,

0,15−0,10

0,6−0,8=

𝑘−0,10

0,7353−0,8 = 0,1161

Utilizando a formula 19 é encontrado uma perda de carga localizada de:

0,1161* 0,516273²

2∗9,81= ℎ𝑝

hp = 0,015 m


15:


Diametro

interno Velocidade

Rugosidade

relativa

(mm)

L-total Fator de

atrito

Perda de

Carga total

0,20274m 1,0325m/s 0,0004439 117,615 0,01924 0,6065m


6.3.2 Cálculo da altura manométrica total descarga ideal


Sendo que,

∆ℎ𝑓 = 𝚺ℎ𝑓 + ℎ𝑓𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜

∆ℎ𝑓 = 2,2899 + 1,37

𝐻 = 𝑍2 − 𝑍1 + ∆ℎ𝑓 = 12,3 − 1,8 + 3,6599 = 𝐻 = 14,1599 𝑚

58

6.4 Solução ideal descarga

A seguir, serão propostas algumas soluções para o problema apresentado, a fim de

alcançar uma vazão volumétrica ideal para o sistema de carregamento.

6.4.1 Solução descarga ideal: troca da tubulação de sucção e recalque

Conforme ilustrado no trabalho, a velocidade econômica ideal do etanol hidratado na

sucção é de 0,9m/s, porém o valor encontrado é da ordem de 1,9096 m/s, o que promove o

aumento das perdas de carga neste trecho. Na tubulação de recalque, a velocidade econômica

desta seção é 4,5m/s, sendo encontrada uma velocidade extremamente menor que a

recomendada, de 1,0325m/s.

Com base nestas duas informações, a proposta para tentar solucionar esse problema é a

troca da tubulação de sucção que é de 6” para 8” que irá atingir uma velocidade de 1,03m/s,

mais próxima da econômica. Na tubulação de recalque, seria viável fazer a troca de 8” para 6”

para atingir uma velocidade maior, chegando até 1,90m/s.

59

7. CONCLUSÃO

Com este estudo de caso em que foi verificado uma rede de tubulações de um sistema

de carregamento de uma distribuidora de combustível, chegou-se à conclusão que a bomba

encontrada no sistema de carregamento não suporta a total demanda de vazão desejada, pelas

características nelas estudas e que se encontra na soma de curvas e acessórios.

Como a bomba de carregamento que a empresa distribuidora possui consegue vencer

apenas 30 metros de altura manométrica, com os resultados encontrados a altura manométrica

total requisitada pelo sistema e acrescentada uma margem de 10% de segurança tem-se um

resultado de 57 m. Na bomba de descarga consegue vencer o desnível e a vazão desejada só

que as velocidades encontradas na sucção e no recalque não são próximas das econômicas.

Sendo assim na seção de carregamento foi feito a proposta de trocar a bomba e o motor

pelos modelos citados para conseguir vencer o desnível e a vazão desejada em cada braço de

carregamento. Na descarga a proposta é trocar as tubulações de sucção e recalque para atingir

uma velocidade mais econômica.

Trabalhos futuros fazer todo o dimensionamentos de todos os tanques da distribuidora

de combustível para tentar solucionar e aumentar todas as vazões dos produtos.

60

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