Trabalho 3 - Acionamentos Elétricos - Dimensionamento de Bombeamento de Água

Curso de Engenharia Elétrica ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Prof Marcio Jose da Silva Trabalho 3 19 novembro2022 15 Pontos Estilo Grupo de 2 alunos máximo Observação Entregar o trabalho na forma manuscrita Instalação de Bombeamento de Água Situação A A Figura 1 mostra uma instalação de bombeamento de água Os reservatórios são do tipo aberto e a altura de desnível Ho é considerada constante O sistema opera com vazão e pressão variáveis A bomba é do tipo centrífuga e está acoplada a um motor de indução trifásico rotor em gaiola através de uma transmissão mecânica do tipo poliascorreia V Figura 1 Instalação de bombeamento de água com válvula de controle de vazão Fonte Autor As características do sistema são Rede de alimentação do motor 380 V 60 Hz Ambiente em que o conjunto motorbomba será instalado Ø Altitude 1250 m Ø Temperatura máxima 45C Ø Ambiente úmido e isento de material corrosivo e combustível ou explosivo Motor Assíncrono Trifásico IP55 A ser especificado Curso de Engenharia Elétrica ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Prof Marcio Jose da Silva Trabalho 3 19 novembro2022 15 Pontos Estilo Grupo de 2 alunos máximo Observação Entregar o trabalho na forma manuscrita Transmissão tipo polias com correia Ø Relação Ø Rendimento Instalação Hidráulica Ø Bomba Multiestágios 3500 rpm rotor da bomba f 280 mm Ø Válvula motorizada de controle de fluxo Ciclo de trabalho da bomba Vazão diária Intervalo de operação Tempo de operação anual 250 m3h 0500 1200 700 360 dias 350 m3h 1200 2230 1030 150 m3h 2230 0445 445 A Figura 2 mostra as curvas da bomba e do sistema para a rotação de 3500 rpm A abscissa expressa a vazão da bomba Q em m3h A ordenada expressa a pressão aqui denominada altura manométrica Hman cuja unidade é mca metro de coluna de água ou simplesmente m A altura manométrica Hman representa a quantidade de energia absorvida por 1 kg de fluido que atravessa a bomba necessária para vencer o desnível da instalação Ho a diferença das pressões entre os reservatórios e a resistência oferecida pelas forças de atritos ao longo do circuito por onde o fluido escoa tubulações acessórios válvulas etc Esta resistência é chamada de perda de carga DH A expressão da curva do sistema é dada por onde A Figura 3 mostra a curva do rendimento da bomba em função da vazão A figura 4 mostra as curvas Hman Q da bomba para três velocidades 3500 rpm 3097 rpm e 2779 rpm as curvas do sistema para três posições da válvula de controle 100 aberta semiaberta e semifechada RED i RED 96 h H H H o man D m H o 98 Curso de Engenharia Elétrica ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Prof Marcio Jose da Silva Trabalho 3 19 novembro2022 15 Pontos Estilo Grupo de 2 alunos máximo Observação Entregar o trabalho na forma manuscrita Altura Manométrica x Vazão da Bomba 4250 4125 4000 3875 3750 3625 3500 3375 3250 3125 3000 2875 2750 2625 2500 2375 2250 2125 2000 1875 1750 1625 1375 1250 1125 1000 875 750 625 500 375 250 125 00 15993 15634 15286 14949 14622 14306 14000 13706 13422 13148 12886 12634 12393 12163 11943 11734 11536 11348 11172 11005 10850 10705 10571 10448 10336 10234 10143 10063 9993 9934 9848 9821 9805 9800 1500 9886 00 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 4250 4125 4000 3875 3750 3625 3500 3375 3250 3125 3000 2875 2750 2625 2500 2375 2250 2125 2000 1875 1750 1625 1500 1375 1250 1125 1000 875 750 625 500 375 250 125 00 Vazão Q m3h Altura Manométrica Hman m Curva da Bomba 3500 rpm Curva do Sistema Válvula 100 aberta Figura 2 Curva pressão x vazão da bomba para a rotação de 3500 rpm e curva de perda de carga do sistema Fonte Autor Curso de Engenharia Elétrica ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Prof Marcio Jose da Silva Trabalho 3 19 novembro2022 15 Pontos Estilo Grupo de 2 alunos máximo Observação Entregar o trabalho na forma manuscrita Rendimento x Vazão Bomba Centrífuga 7079 7357 7500 7607 7714 7750 7821 7821 7821 7786 7750 7679 7607 7500 7357 7214 7071 6821 6607 6357 6107 5786 5571 5179 4893 4500 4179 000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 4250 4125 4000 3875 3750 3625 3500 3375 3250 3125 3000 2875 2750 2625 2500 2375 2250 2125 2000 1875 1750 1625 1500 1375 1250 1125 1000 875 Vazão Q m3h Rendimento Rend Rendimento da Bomba 3500 rpm Figura 3 Rendimento da bomba em função da vazão a 3500 rpm Fonte Autor hBomba Curso de Engenharia Elétrica ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Prof Marcio Jose da Silva Trabalho 3 19 novembro2022 15 Pontos Estilo Grupo de 2 alunos máximo Observação Entregar o trabalho na forma manuscrita Figura 4 Curvas da bomba para diferentes rotações e curvas do sistema para diferentes aberturas da válvula Fonte Autor Curso de Engenharia Elétrica ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Prof Marcio Jose da Silva Trabalho 3 19 novembro2022 15 Pontos Estilo Grupo de 2 alunos máximo Observação Entregar o trabalho na forma manuscrita Para a instalação mostrada na Figura 1 o controle da vazão é realizado controlandose a abertura da válvula com a bomba girando na rotação constante de 3500 rpm No ponto A Figura 4 a válvula esta totalmente aberta e portanto seu rendimento pode ser considerado igual 100 Nos pontos B e C Figura 4 a válvula esta um pouco estrangulada o que faz aumentar a resistência ao escoamento do fluido com consequente aumento da parcela de perda de carga implicando na redução do seu rendimento Os valores são dados na Tabela 1 Tabela 1 Pontos Operação Pressão Recalque m Rotação Bomba rpm A 10000 1400 7821 3500 96 998 B 7566 1586 7357 3500 96 998 D 6218 1700 5571 3500 96 998 A potência na saída da bomba denominada potência hidráulica é determinada pela expressão onde as unidades são A potência mecânica na entrada da bomba é determinada pela expressão Determinar A 25 pontos Especificar um motor de indução trifásico rotor em gaiola autoventilado para acionar a bomba e que atenda as necessidades da rede elétrica e as condições do ambiente Acessar o site do fabricante e escolher o motor com pés e sem flange Acesse Gerar Documentos e selecione Folha de dados com as unidades kgNmkgm2N desenho 2D pdf desempenho as quatro opções e Cliente nomes dos componentes do grupo Na folha de dados destacar grau de proteção da carcaça código da carcaça potência nominal kW e cv número de polos rotação nominal frequência nominal tensões nominais e respectivas correntes nominais corrente de partida em pu rendimento a plena carga fator de potência a plena carga categoria classe de isolamento regime de serviço peso tempo de rotor bloqueado e momento de inércia do motor Valvula h hValvula hBomba hMotor hRe dutor Chavepartida h HB P 103 Q g H P man HB r 3 2 3 s Q m m H g m s kg m kW P man HB r 2 3 9 81 998 m s g m kg agua r Bomba HB B P P h Curso de Engenharia Elétrica ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Prof Marcio Jose da Silva Trabalho 3 19 novembro2022 15 Pontos Estilo Grupo de 2 alunos máximo Observação Entregar o trabalho na forma manuscrita B 05 ponto A relação de redução de velocidade da transmissão polias correia e os diâmetros das polias do lado do motor e da bomba Considerar o diâmetro da polia motriz igual a 10 vezes maior que o diâmetro do eixo dianteiro do motor C 15 pontos A potência perdida kW na válvula nos pontos B e C e a energia perdida mensal kWh para o controle de vazão através do estrangulamento da válvula Por exemplo para o ponto B a área formada pelo retângulo BBOG é proporcional à potência hidráulica da bomba e a área do retângulo BBCC é proporcional à perda na válvula D 25 pontos O consumo de energia mensal e anual total da instalação bem como os respectivos custos mensais e anuais Considerar a TARIFA de energia do Grupo A4 CEMIG Para calcular os consumos de energia devese calcular as potências demandadas para cada ponto de operação Use a curva de rendimento do motor OBSERVAÇÃO Transcrever os valores calculados para a Tabela Comparativa Curso de Engenharia Elétrica ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Prof Marcio Jose da Silva Trabalho 3 19 novembro2022 15 Pontos Estilo Grupo de 2 alunos máximo Observação Entregar o trabalho na forma manuscrita Situação B Com o objetivo de reduzir o consumo foi proposta a retirada da válvula e do redutor de velocidade e adquirir um conversor de frequência para controlar a vazão conforme mostrado na Figura 5 Neste caso a válvula é retirada Figura 5 Controle de vazão a partir da velocidade de rotação Os novos pontos de operação com controle de velocidade realizado pelo inversor são indicados na Tabela 2 Tabela 2 Pontos Operação Vazão m3h Pressão Bomba Sistema m Rotação Bomba rpm A 350 14000 7821 3500 C 250 12000 7566 3097 E 150 10571 6218 2779 hBomba hMotor hInversor Curso de Engenharia Elétrica ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Prof Marcio Jose da Silva Trabalho 3 19 novembro2022 15 Pontos Estilo Grupo de 2 alunos máximo Observação Entregar o trabalho na forma manuscrita Determinar A 2 pontos Especificar um conversor de frequência CF para controlar o motor de indução trifásico escolhido anteriormente que atenda as necessidades da rede elétrica e as condições do ambiente Acessar o site da fabricante para escolher o conversor a partir da corrente nominal do motor Citar na sua especificação potência nominal tensão nominal rendimento freqüência de chaveamento 1 ponto B 15 pontos Verificar se o motor autoventilado está apto a operar em rotações abaixo da nominal quando alimentado pelo CF Para isso calcule os torques de operação do motor e compare com a curva de torque vs frequência na Curva de operação com inversor solicitada no item A da Situação A O motivo se deve a o motor encontrado deve ser capaz de operar dentro dos limites térmicos da sua classe de isolamento ao ser alimentado pelo CF Aqui ocorrem duas situações que são prejudiciais termicamente ao motor As perdas adicionais causadas pelas harmônicas da tensão PWM Uma observação alguns fabricantes de motores orientam que quando o motor for alimentado pelo CF ele perde seu fator de serviço Sendo o motor autoventilado em baixas rotações a sua capacidade de arrefecimento reduz o que pode levar a um aumento da sua elevação de temperatura dependendo do tipo da carga que ele aciona C 2 pontos O consumo de energia mensal e anual total da instalação bem como os respectivos custos mensais e anuais Considerar que as perdas no motor aumentam 15 em média quando é alimentado pelo CF D 2 pontos A economia em R mensal e anual de energia na instalação em kWh da situação B em relação à situação A C DESCONSIDERAR tempo de retorno simples e o tempo de retorno descontado do capital investido na aquisição do inversor e obras de reforma IMPORTANTE Apresentar todas as memórias de cálculos e um resumo com os seguintes itens 1 Quadro com as especificações do Motor item a Transmissão Mecânica item b e do Conversor de Frequência item e 2 Completar a Tabela 1 e a Tabela 2 3 Tabela 3 Conclusiva Obs sugestão na última página Curso de Engenharia Elétrica ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Prof Marcio Jose da Silva Trabalho 3 19 novembro2022 15 Pontos Estilo Grupo de 2 alunos máximo Observação Entregar o trabalho na forma manuscrita Observação Consultar fabricantes e fornecedores de equipamentos e insumos Tarifa de energia wwwcemigcombr Motores e Conversores de Frequência wwwwegcombr wwwremigcombr wwwsiemenscombr Correias e polias WWWcorreiasbr WWWcorreiasmercuriocombr ECT Bibliografia Acionamentos Elétricos Apostila Notas de aulas do curso Acionamentos Elétricos Catálogos de fabricantes de motores e conversores MONACHESI Marcelo Eficiência Energética em Sistemas de Bombeamento Eletrobras Rio de Janeiro 2005 Curso de Engenharia Elétrica ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Prof Marcio Jose da Silva Trabalho 3 19 novembro2022 15 Pontos Estilo Grupo de 2 alunos máximo Observação Entregar o trabalho na forma manuscrita Figura 6 Fator de correção da potência útil do motor em função da temperatura ambiente e da altitude Classes de Isolamento F e B Curso de Engenharia Elétrica ACIONAMENTOS ELÉTRICOS Prof Marcio Jose da Silva Trabalho 3 19 novembro2022 15 Pontos Estilo Grupo de 2 alunos máximo Observação Entregar o trabalho na forma manuscrita Situação A Situação B Economia Controle da vazão com a Válvula Controle da vazão com o CF Potência Demanda kW Potência Demanda kW kW Perda na Válvula kW Consumo mensal kWh R Consumo mensal kWh R kWh R Tempo de retorno DESCOSIDERAR