Como Calcular a Potência de uma Bomba de Água

A bomba de água é um dispositivo mecânico simples, mas importante, que possui a força necessária para se mover um fluido a uma taxa específica. Como ocorre com qualquer dispositivo que realiza trabalho (transferência de energia a distância), sua eficácia é medida em forma de potência. No entanto, apesar de watts e quilowatts serem unidades comuns nessa situação, o horsepower (hp), em alguns casos erroneamente traduzido como cavalo-vapor (cv) — $1\ {\text{cv}}=0,986\ {\text{hp}}$ —, ainda é usado em alguns locais do mundo. Nesse contexto, $1\ {\text{hp}}$ equivale a $746$ watts.

Fórmula rápida

${\acute {A}}gua_{cv}=$ potência mínima necessária para o funcionamento da bomba de água;
$h_{\text{man.}}=$ Altura manométrica total $=$ distância vertical de deslocamento do líquido (em pés) $+$ a perda devida ao atrito com a superfície do cano;
$Q=$ vazão, taxa à qual o líquido flui, em galões por minuto;
$G_{\text{e}}=$ gravidade específica do líquido (no caso da água, esse valor será igual a $1$ );
${\acute {A}}gua_{cv}={\frac {h_{\text{man.}}\times Q\times G_{\text{e}}}{3.960}}$
$Pot{\hat {e}}ncia\ real\ necess{\acute {a}}ria={\frac {{\acute {A}}gua_{cv}}{Efici{\hat {e}}ncia\ da\ bomba}}$
- Aqui, a eficiência deve ser escrita em forma decimal ( $50\%\rightarrow 0,5$ ).
- Para transformar metros em pés, multiplique o valor em metros por $0,305$ . Para transformar litros em galões, multiplique o valor em litros por $0,264$ .

Método 1

Método 1 de 2:

Calculando a potência para algo já planejado

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Decida qual a vazão desejada. As necessidades do projeto determinarão a vazão necessária para a bomba. Escreva esse valor em galões por minuto (gpm). Ele não será usado imediatamente, mas determinará quais bombas e canos poderão ser usados.
Exemplo: um jardineiro tem um plano de irrigação com a necessidade de uma vazão igual a $10$ galões por minuto.
- Em outras palavras, você precisa saber quanta água deve circular por ali por minuto, o que variará de acordo com o projeto.
Essa é a distância vertical que vai do topo do lençol freático (ou do nível da água presente no tanque) até o destino final da água. Nesse caso, ignore as distâncias horizontais. Se o nível varia ao longo do tempo, tome por base o máximo esperado. Essa é a "altura de recalque" que a bomba terá que gerar.
Exemplo: quando o tanque de água do jardineiro estiver quase vazio (altura mínima esperada), o nível da água estará $50$ pés abaixo da área do jardim que precisa ser regado.
3
Estipule as perdas por atrito causadas pelo encanamento. Além da pressão mínima necessária para mover a água por determinada distância, a bomba também precisa superar a força do atrito à medida em que essa movimentação ocorre. A quantidade de atrito depende do material, do diâmetro interno e do comprimento do encanamento, bem como do tipo de juntas e adaptações em uso. Procure por esses valores em uma cartilha de perda de carga, como essa. Anote o valor total dessa perda na unidade de medida desejada.
Exemplo: o jardineiro decide usar canos de $1$ polegada e precisa de $75$ pés totais de encanamento (incluindo as distâncias horizontais). Uma determinada tabela de perda de carga indica que os canos plásticos de $1^{\prime \prime }$ trazem uma perda de $6,3$ pés para cada $100$ pés de encanamento.
$75\ {\text{ft}}\times {\frac {6,3\ {\text{ft}}_{h_{\text{man.}}}}{100\ {\text{ft}}}}=4,7\ {\text{m}}_{h_{\text{man.}}}$
Além disso, ele procura saber qual será a perda por atrito em cada junção do encanamento. No caso dos plásticos de $1^{\prime \prime }$ , sendo um cotovelo de $90$ ^° e três canos roscáveis, a perda total equivalerá a $15$ pés.
Por fim, a perda total será igual a $4,7+15=19,7\ {\text{ft}}$ , ou aproximadamente $6\ {\text{m}}$ .
- Essas tabelas costumam incluir também uma estimativa da velocidade da água, com base na vazão e nos canos utilizados. Vale manter essa velocidade inferior a $1,5\ {\frac {\text{m}}{\text{s}}}$ para evitar danos devido à vibração pela passagem do líquido.
A distância vertical deslocada pela água somada às perdas devidas ao atrito nos encanamentos resultarão na "altura manométrica total", ou $h_{\text{man.}}$ . Esse valor representa a pressão total que a bomba precisa superar.
Exemplo: ${\begin{aligned}h_{\text{man.}}&=Dist{\hat {a}}ncia\ Vertical+Perda\ de\ Carga\\&=50\ {\text{ft}}+20\ {\text{ft}}\\&=70\ {\text{ft}}\\&=21,336\ {\text{m}}\end{aligned}}$
A fórmula básica para se calcular a potência nessa unidade considera que você esteja usando água. Por isso, ao bombear um fluido diferente, vale pesquisar por sua "gravidade específica" na internet ou em um livro didático de Engenharia. Fluidos com densidade específica mais elevada são mais concentrados e, por isso, requerem maior potência para passarem pelo cano.
Exemplo: uma vez que o jardineiro está bombeando água, não é necessário fazer qualquer pesquisa. A gravidade específica da água é igual a $1$ .
Para se calcular a potência em hp da água, a fim de que a bomba funcione normalmente, basta inserir os valores na fórmula ${\frac {h_{\text{man.}}\times Q\times G_{\text{e}}}{3.960}}$ , onde $h_{\text{man.}}$ representa a altura manométrica total, $Q$ representa a vazão do líquido em galões por minuto, e $G_{\text{e}}$ representa a gravidade específica do fluido (no caso da água, esse valor é igual a $1$ ). Insira todos os dados em seus respectivos lugares para determinar a potência da água em horsepower nesse projeto.
Exemplo: a bomba do jardim precisa superar uma $h_{\text{man.}}$ de $70\ {\text{ft}}$ ( $21,336\ {\text{m}}$ ) e produzir uma vazão $Q$ igual a $10\ {\text{gpm}}$ . Uma vez que se está bombeando água, a $G_{\text{e}}$ será igual a $1$ .
${\begin{aligned}Pot{\hat {e}}ncia\ da\ {\acute {a}}gua&={\frac {h_{\text{man.}}\times Q\times G_{\text{e}}}{3.960}}\\&={\frac {70\times 10\times 1}{3.960}}\\&\approx 0,18\ {\text{hp}}\end{aligned}}$
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Divida o valor da potência pela eficiência da bomba. Agora, você já sabe o valor da potência necessária para a bomba, em hp. No entanto, nenhum dispositivo mecânico apresenta $100\%$ $How.com.vn Português: 100\%$ de eficiência ao transferir poder de um meio a outro. Depois de ter escolhido a bomba desejada, leia o manual do fabricante para conhecer seu valor de eficiência (ou rendimento) e escreva-o em forma decimal. Divida a potência, em hp, por esse valor a fim de determinar a potência necessária para o motor da bomba.^{[1]XFonte de pesquisa}
Exemplo: para realizar $0,18\ {\text{hp}}$ de trabalho, uma bomba com $50\%$ (ou $0,5$ ) de rendimento requererá um motor de ${\frac {0,18}{0,5}}=0,36\ {\text{hp}}$ .
- A maioria das bombas modernas apresenta um rendimento entre $50\%$ e $85\%$ se usadas da forma correta.^{[2]XFonte de pesquisa} Se você não consegue determinar o nível de eficiência da bomba em questão, estipule que o rendimento real do motor estará entre ${\frac {{\acute {A}}gua_{cv}}{0,5}}$ e ${\frac {{\acute {A}}gua_{cv}}{0,85}}$ .
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Método 2

Método 2 de 2:

Medindo a potência da bomba

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Confira o nível da água no reservatório inferior. Ele é responsável por abastecer a água até a bomba. O nível no qual ela se encontra será o mesmo que o presente nos encanamentos, sendo esse o ponto a partir do qual a bomba fará a extração.
- Se estiver bombeando água de um poço artesiano, meça a profundidade diretamente ou procure por uma estimativa de níveis de água em sua região (na época do ano presente). Quando em dúvida, busque na internet a respeito de dados oficiais que poderão estar disponíveis.^{[3]XFonte de pesquisa}
2
Esvazie o reservatório de destino. Esse será o segundo tanque, para o qual a bomba transferirá a água a partir do primeiro. É importante que ele esteja vazio e ligado à bomba da forma apropriada.
- Se você não tem um tanque extra à disposição, basta colocar um grande balde no local para captar a água ao medir. Se o seu balde já possui uma medida em galões, esse processo ficará ainda mais fácil.
3
Meça a distância vertical entre os dois pontos. Com uma fita métrica ou uma régua, meça a distância vertical que existe entre o nível da água no primeiro tanque e a entrada da água do segundo tanque. Anote essa distância em pés ( $1\ {\text{m}}=3,280\ {\text{ft}}$ $How.com.vn Português: 1\ {\text{m}}=3,280\ {\text{ft}}$ ).
- Suponha, por exemplo, que o nível da água no primeiro tanque esteja $120$ pés abaixo da entrada no segundo.
- Nesse passo, a distância horizontal é irrelevante.
Ative o dispositivo a fim de iniciar o bombeamento da água. Ao mesmo tempo, inicie um cronômetro.
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Meça a vazão de água. Quando a bomba iniciar seu funcionamento, você poderá mensurar o nível de vazão ou, em outras palavras, o volume de água transportada por unidade de tempo. Nesse caso, o valor se dará em galões por minuto.
- Por exemplo, suponha que a bomba leve $30$ segundos para encher um recipiente com capacidade igual a $10$ galões, ou aproximadamente $38$ litros. Isso indica que a vazão será igual a ${\frac {\text{gal}}{\text{s}}}\times {\frac {\text{s}}{\text{min}}}=20\ {\frac {\text{gal}}{min}}$ . Geralmente, esse valor será escrito como $20$ gpm, ou aproximadamente $76$ litros por minuto.
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Pesquise o valor da gravidade específica do fluido. Essa é uma medida de densidade: quanto mais denso um fluido é, mais energia será necessária para bombeá-lo. No caso da água, esse valor é igual a $1$ $How.com.vn Português: 1$ . Se você estiver bombeando um líquido diferente, procure por uma tabela de Engenharia que contenha esses valores.
- Uma vez que o exemplo do artigo usa a água, o valor da gravidade específica será igual a $1$ .
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Estime a potência a partir desses valores. A potência da bomba em hp equivale a aproximadamente ${\frac {h_{\text{v}}\times Q\times G_{\text{e}}}{3.960}}$ $How.com.vn Português: {\frac {h_{{{\text{v}}}}\times Q\times G_{{{\text{e}}}}}{3.960}}$ , onde $h_{\text{v}}$ $How.com.vn Português: h_{{{\text{v}}}}$ representa a distância vertical de deslocamento da água (em pés), $Q$ $How.com.vn Português: Q$ representa a vazão em galões por minuto, e $G_{\text{e}}$ $How.com.vn Português: G_{{{\text{e}}}}$ representa a gravidade específica do fluido.
- No exemplo, a bomba opera a ${\frac {120\ {\text{ft}}\times 20\ {\text{gpm}}\times 1\ {\frac {\text{N}}{{\text{m}}^{3}}}}{3.960}}=0,65\ {\text{hp}}$ .
- Na realidade, você provavelmente usará ainda mais potência do que o valor encontrado, uma vez que a bomba precisa também superar a força do atrito presente nos encanamentos e, ainda, devido à perda de energia devida à ineficiência do motor. Você pode inclusive duplicar esse resultado para uma estimativa aproximada de consumo energético, observar e anotar a quantidade de combustível ou eletricidade consumidos ou, se preferir, fazer os cálculos acima.
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Dicas

O valor da gravidade específica da maioria dos fluidos pode ser encontrada facilmente em tabelas de Física. Também é possível medi-la com um hidrômetro.
Há diversos instrumentos mecânicos disponíveis capazes de mensurar a vazão de um fluido. Dentre eles, estão incluídos o tubo de Venturi e o tubo de Pitot.
Lembre-se de que $1$ unidade de hp equivale a $746$ watts. Dependendo da circunstância, pode ser necessário fazer conversões de uma unidade para outra.
Assim como as bombas, os motores não apresentam 100% de eficiência. Use um motor com saída em hp suficiente para superar as necessidades da bomba. Se você se basear na potência mínima calculada (ou equivalente, em watts de eletricidade), as perdas devidas à ineficiência potencial podem diminuir esses valores para baixo do mínimo estipulado.
Você pode usar $3.956$ em vez de $3.960$ na fórmula a fim de um resultado mais preciso.^{[4]XFonte ConfiávelU.S. Department of EnergyIr à fonte} Calculadoras de hp na internet podem dar duas respostas ligeiramente distintas, dependendo do valor usado.

Avisos

As bombas só conseguem elevar a água até uma certa altura (tanto quanto a potência permitir). Na prática, essa altura máxima equivale a aproximadamente $7$ metros à altura do mar e $10$ centímetros menos para cada $100$ metros acima do nível do mar.^{[5]XFonte de pesquisa} Cuide para que o componente de sucção da bomba esteja localizado dentro da distância esperada sobre o nível da água.
Sistemas de bombeamento mais poderosos podem envolver componentes de altas pressão e voltagem. Instale-os apenas sob a supervisão de profissionais experientes.^{[6]XFonte de pesquisa}