Caudal, pressão e altura manométrica são conceitos hidráulicos fundamentais para analisar a performance de uma bomba.

Caudal

Caudal é a quantidade de líquido que passa através de uma bomba dentro de um determinado período de tempo. No desempenho de uma bomba, podemos distinguir entre dois parâmetros de caudal: Caudal volumétrico e caudal mássico.

Caudal Volumétrico (Q)

Caudal volumétrico é o que se pode ler a partir de uma curva hidráulica de uma bomba. Uma bomba consegue mover um volume por unidade de tempo (medido em m³/h), independentemente da densidade do líquido. Por exemplo quando lidamos com abastecimento de água, o caudal volumétrico é o parâmetro mais importante, porque precisamos que a bomba forneça um determinado volume de água para consumo humano ou rega.
\begin{equation} \label{eq:caudal} \Large
Q=\frac { { Q }_{ m } }{ \rho }
\end{equation}

Caudal Mássico (Qm)

O caudal mássico é a massa que uma bomba move por unidade de tempo, medida em kg/s. A temperatura do líquido tem influência sobre quão grande a massa do que pode fluir pela bomba opor unidade de tempo, pois a densidade de um líquido muda com a temperatura. De forma equivalente aos sistemas de aquecimento, refrigeração e ar condicionado, o caudal de massa é o portador de energia.
\begin{equation} \label{eq:caudal2} \Large
{ Q }_{ m }=\rho \cdot Q
\end{equation}

Pressão (p)

A pressão é uma medida de força por unidade de área. Distinguem-se pressão estática, pressão dinâmica e pressão total. A pressão total é a soma da pressão estática com a pressão dinâmica:
\begin{equation} \label{eq:ptot} \Large
{{p}_{tot}\mathrm{{=}}{p}_{est}\mathrm{{+}}{p}_{din}}
\end{equation}

Pressão Estática

A pressão estática é medida com um manómetro colocado perpendicular ao fluxo do líquido ou numa situação estática em que o líquido está sob pressão.

Pressão Dinâmica

A pressão dinâmica é causada pela velocidade do líquido, que não pode ser medida por um manómetro normal. É calculada pela seguinte fórmula:
\begin{equation} \label{eq:pdin} \Large
{ p }_{ din }=\frac { 1 }{ 2 } \cdot \rho \cdot { v }^{ 2 }
\end{equation}

Onde:
ρ é a densidade do líquido em [kg/m³]
v é a velocidade do líquido em [m/s]

A pressão dinâmica pode ser convertida em pressão estática, reduzindo a velocidade do líquido e vice-versa.

A figura 2 mostra uma parte de um sistema em que o diâmetro do tubo aumenta de D1 para D2, resultando numa diminuição na velocidade da água, de v1 para v2. Assumindo que não há perdas for atrito no sistema, a soma da pressão estática e da pressão dinâmica é constante ao longo do tubo.
\begin{equation} \label{eq:pconst} \Large
{ p }_{ 1 }+\frac { 1 }{ 2 } \cdot \rho \cdot { v_{ 1 } }^{ 2 }={ p }_{ 2 }+\frac { 1 }{ 2 } \cdot \rho \cdot { v_{ 2 } }^{ 2 }
\end{equation}

Então, um aumento no diâmetro do tubo, como a mostra a figura 2 resulta num aumento na pressão estática que é medido no manómetro p2.

Na maioria dos sistemas de bombagem, a pressão dinâmica tem um impacto pequeno sobre a pressão total. Por exemplo, se velocidade de um fluxo de água é de 4,5 m/s, a pressão dinâmica é cerca de 0,1 bar, o que é considerado insignificante em grande parte dos casos.

Medição de Pressão

A pressão é medida, por exemplo, em Pa (N/m²), bar (10^5 Pa) ou PSI (lb/pol²). Ao lidar com a pressão que é importante saber o ponto de referência para a medição de pressão. Dois tipos de pressão são essenciais em relação com a medição da pressão. Pressão absoluta e pressão relativa (ou efetiva).

Pressão Absoluta (Pabs)

A pressão absoluta é definida como a pressão acima do vácuo absoluto, 0 atm. Normalmente, o valor de "pressão absoluta" é utilizada nos cálculo de cavitação.

Pressão Relativa (ou Pressão Efetiva)

A pressão relativa é a pressão maior do que a pressão atmosférica (1 atm). Um manómetro convencional mede a pressão relativa, medindo a diferença de pressão entre o sistema e a atmosfera. Normalmente quando se fala de pressão, estamo-nos a referir à pressão relativa.

Pressão Diferencial

A pressão diferencial é a diferença de pressão entre as pressões aferidas em dois pontos, por exemplo, quedas de pressão provocada por um sistema de válvulas, nas mesmas unidades da pressão.

Altura Manométrica (H)

A altura manométrica de uma bomba representa qual a altura que uma bomba consegue levantar um líquido. A altura manométrica é medida em metros (m) e é independente da densidade do líquido. A seguinte fórmula mostra a relação da pressão (p) e a altura manométrica (H):
\begin{equation} \label{eq:hp} \Large
H=\frac { p }{ \rho \cdot g }
\end{equation}
em que:
H é a altura manométrica em [m]
p é a pressão em [Pa = N/m²]
ρ é a densidade do líquido em [kg/m³]
g é a aceleração da gravidade em [m/s²]

Normalmente, a pressão é medida em [bar], que é igual 10^5 Pa. No entanto, outras unidades de pressão são utilizadas como mostra a Tabela 1.

A relação entre a pressão e a altura manométrica é mostrado na figura 3 onde é bombeado quatro liquídos com densidades diferentes.

Como Determinar a Altura Manométrica

A altura manométrica da bomba é determinado através da leitura da pressão na parte superior da bomba P2, na parte inferior P1 e de seguida converter os valores para altura manométrica - veja a figura 4. No entanto, se existe diferença geométrica na altura manométrica entre os dois pontos de medição, como é caso na figura 4, é necessário para compensar a diferença. Além disso, se as dimensões da abertura dos dois pontos de medição são diferentes também se tem de levar isso em conta.

A altura manométrica real da bomba (H) é calculada pela seguinte fórmula:
\begin{equation} \label{eq:alturamanometrica} \Large
H=\frac { { p }_{ 2 }-{ p }_{ 1 } }{ \rho \cdot g } +(h_{ 2 }-h_{ 1 })+\frac { { v_{ 2 } }^{ 2 }-{ v_{ 1 } }^{ 2 } }{ 2\cdot g }
\end{equation}
em que:

H é a altura manométrica real da bomba em [m]
p é a pressão em [Pa = N/m²]
ρ é a densidade do líquido em [kg/m³]
g é a aceleração da gravidade em [m/s²]
h é a altura geométrica, [m]
v é a velocidade do líquido em [m/s]

A velocidade v líquido é calculado pela seguinte fórmula:
\begin{equation} \label{eq:velocity} \Large
v=\frac { Q }{ A } =\frac { 4\cdot Q }{ \pi \cdot { D }^{ 2 } }
\end{equation}
em que:
v é a velocidade do líquido em [m/s]
Q é o caudal de volume em [m³/s]
D é o diâmetro da porta em [mm]

Combinando essas duas fórmulas, altura manométrica (H) depende dos seguintes fatores: As medições de pressão p1 e p2, a diferença de altura entre a medição geométrica (h2-h1), o caudal (Q) através da bomba de e o diâmetro das duas portas D1 e D2.

\begin{equation} \label{eq:combinedformulas} \Large
H=\frac { { p }_{ 1 }-{ p }_{ 2 } }{ \rho \cdot g } +(h_{ 2 }-h_{ 1 })+\frac { 8\cdot Q^{ 2 } }{ g\cdot \pi ^{ 2 } } \cdot \left( \frac { 1 }{ { D_{ 2 } }^{ 4 } } -\frac { 1 }{ { D_{ 1 } }^{ 4 } } \right)
\end{equation}

A correção devido à diferença de diâmetro porta é causada pela diferença na pressão dinâmica.

Exemplo de Cálculo

Uma bomba do mesmo tipo que o mostrado na figura 4 é instalado num sistema com os seguintes dados:

Q = 240 m3/ h
p1 = 0,5 bar
p2 = 1,1 bar
Líquido: água a 200ºC
Sucção de diâmetro D1 = 150 mm
Descarga porta diâmetro D2=125 mm
A diferença de altura entre os dois portos onde os medidores de pressão são instalados é
h2 - h1= 355 mm

Estamos agora em condições de calcular a altura manométrica da bomba:

\begin{equation} \label{eq:calc}
H=\frac { 1,1{ 1\cdot { 10 }^{ 5 } }-0,5\cdot { 10 }^{ 5 } }{ 998\cdot 9,81 } +(0,355)+\frac { 8\cdot Q^{ 2 } }{ 9,81\cdot \pi ^{ 2 } } \cdot \left( \frac { 1 }{ 0,125^{ 4 } } -\frac { 1 }{ 0,150^{ 4 } } \right) \\ H=6,13+0,36+0,77=7,26 m
\end{equation}

A diferença de pressão medida pelos manómetros em altura manométrica é de cerca de 1,1m inferior (7.26-6.13) que ao bomba está efetivamente a produzir. A razão pelo desvio é que em primeiro lugar, existe uma diferença de altura entre os manómetros (0,36 m) e em segundo lugar, é causada pela diferença de dimensões das porta, que neste caso representa uma altura manométrica de 0,77 m .

Se os manómetros estão colocados na mesma altura geométrica, não é necessário para compensar a diferença de altura (h2-h1). Muitas vezes a entrada e a saída são tem a mesma altura bem como as duas portas muitas vezes tem o mesmo diâmetro. Para estes tipos de bombas é usada a fórmula simplificada para determinar a altura manométrica:

\begin{equation} \label{eq:alturamanometrica2} \Large
H=\frac { { p }_{ 2 }-{ p }_{ 1 } }{ \rho \cdot g }
\end{equation}

Tipos de bombas de água

Há 2 tipos fundamentais de bombas de água centrífugas : As bombas de superfície e as bombas submersíveis.

As bombas de superfície para instalações fora de água, estão limitadas a altura de aspiração a um máximo genérico de 7m.

As bombas submersíveis para instalações dentro de água já não estão limitadas em termos da altura de aspiração, são no geral mais eficientes, e indicadas para bombagem de água de depósitos, poços e furos artesianos de elevada profundidade.

Bomba de água submersível para poço com bóia de proteção

Bomba de água de superfície (centrífugas)

Bomba submersível de furo

Bombas de água, que informação é necessária?

Num caso típico de abastecimento de água para uma habitação ou sistema de rega, a escolha da bomba depende essencialmente da pressão (diretamente relacionada com a altura manométrica) e do caudal de água necessário.

Se pretender saber qual a bomba de água indicada para o seu caso, contacte-nos por telefone ou email com a seguinte informação:

• Profundidade do poço / furo;
• Distância do poço ao ponto mais desfavorável;
• Desnível do poço ao ponto mais desfavorável;
• Se já existe tubagem qual o diâmetro;
• No caso do abastecimento de uma habitação/ prédio, quantas torneiras / emissores de água se pretendem alimentar ao mesmo tempo;
• No caso de rega, quantos aspersores se pretendem alimentar ao mesmo tempo e qual o tipo de bico instalado;
• Se os sistema a instalar é automático ou se liga manualmente a bomba sempre que se deseja água.

A altura manométrica é essencialmente dependente de todas as alturas e distâncias que a electrobomba tem de vencer, nomeadamente:

• Profundidade do poço / furo / local do líquido a bombear;
• Desnível ao ponto mais desfavorável;
• Distância ao ponto mais desfavorável.

O caudal é essencialmente dependente:

• Do débito necessário, seja abastecimento dum prédio, rega, drenagem, etc.;
• Do diâmetro da tubagem (existe um limite para a quantidade de água que pode passar numa certa abertura com perdas baixas).

Caudal da Bomba de Água

Determina-se somando o débito de todos os emissores de água: torneiras, chuveiros, aspersores, pulverizadores, sistemas de rega de gota-a-gota, etc.
Na seguinte tabela apresentamos equipamento habitualmente encontrado numa instalação doméstica.

Por exemplo, um chuveiro, a máquina de lavar louça e um lavatório a funcionar em simultâneo requer um caudal de 0.52 L/s, 31 L/min, 1860 L/h . No entanto, de notar que apenas a mangueira de rega requer um caudal de 36 L/min .

Caudais domésticos típicos:

Este dado também é dependente de quantas pessoas vivem numa habitação, ou seja, de quantas torneiras estarão abertas ao mesmo tempo.

Pressão / Altura Manométrica da Bomba de Água

A pressão de funcionamento do sistema de bombagem está relacionado com a altura manométrica e depende essencialmente da altura vertical que a bomba tem de vencer e da pressão pretendida no ponto mais distante. É necessário também calcular, em altura manométrica, todas as perdas de carga ao longo da tubagem (causados por filtros, electroválvulas, desníveis do terreno, comprimento e dimensões da tubagem).
Considera-se que para aplicações domésticas uma pressão de 2.5 bar (que para efeitos de cálculo corresponde a 25 m de altura manométrica) é perfeitamente indicada para maior parte das situações, como torneiras, chuveiros, máquinas de lavar roupa e loiça.

Depois de calculados a altura manométrica e o caudal, consulta-se as curvas hidráulicas (curvas das bombas) para escolher uma bomba que tenha o desempenho pretendido.

Diâmetro da Tubagem, Caudal e Perdas de Carga

Na primeira coluna da seguinte tabela encontra-se a medida pela qual os tubos são conhecidos no comércio e indústria, da mesma forma na coluna seguinte encontra-se em polegadas. De seguida, está descrito o diâmetro interno real do tubo em mm. Também incluímos o caudal máximo recomendado para uma velocidade de 2 m/s e as perdas de carga correspondentes por metro de tubo em altura manométrica.

Através dos valores de perda de carga nas tubagens, podemos verificar rapidamente que caudal está dependente do diâmetro do tubo. Por exemplo, para um caudal de 4000 L/h é recomendado usar um tubo 1"1/2 (pelo menos 1"1/4) ou de outra forma as perdas de carga na tubagem serão muito significativas.

Curva da Bomba

Depois de conhecidos a altura manométrica e o caudal necessário o último passo para a escolha da bomba é consultar a curva da bomba. A bomba idealmente  terá de trabalhar a meio da curva no ponto mais desfavorável.

Por exemplo, para um caudal de 3300 L/h e uma altura manométrica de 35 m, o modelo de bomba ideal é a A60 (meio da curva).

Podemos também ver o problema de outra perspectiva. Considerando o modelo A80 destas curvas hidráulicas, o meio da curva é de 45 m o que corresponde a um caudal de  cerca de 4000 L/h que é a situação de trabalho ideal para esta bomba.

Perguntas Frequentes

Eu tenho uma Bomba SMC 75/140 instalada num furo a 130m. Sabem dizer-me se terei 5 Bar cá em cima para encher o autoclave e desligar o pressostato a 5 Bar?

A bomba que dispõe têm uma altura manométrica máxima de 140 m. Grosseiramente podemos fazer os seguintes cálculos, cada Bar de pressão corresponde a 10 m, assim se pretende 5 Bar a bomba teria que debitar 50 m + a altura do furo + as perdas de carga na tubagem e acessórios.

Somado as alturas: 50 + 130 + 15 = 195 m seria a elevação que a bomba teria de alcançar e a esta altura teríamos ainda que verificar o caudal necessário. Estaríamos assim a calcular uma bomba para a hipótese de a água poder descer até aos 130 m. Com a bomba que têm e para garantirmos os 5 bar de pressão temos que ter a certeza que a água não desceria no furo abaixo dos 75 m (50 + 75 +15 = 140) e ainda assim o caudal que debitaria a essa pressão seria reduzido.

Documentação

Apêndice técnico selecção bombas de água marca ESPA (Espanhol) 

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