Bombas centrífugas em paralelo: por que a vazão não dobra

Imagine uma situação comum: a linha precisa de mais água, então a fábrica instala uma segunda bomba, igual à primeira, e liga as duas ao mesmo coletor de recalque. A expectativa é simples: duas bombas, o dobro da vazão. No exemplo numérico deste artigo, porém, a segunda bomba aumenta a vazão total em apenas cerca de 26,5%. Isso não significa que as bombas estejam com defeito; é assim que bombas e tubulação interagem.

A resposta curta: duas bombas centrífugas iguais em paralelo não entregam, necessariamente, o dobro da vazão de uma bomba no mesmo sistema. Operar em paralelo é ligar as bombas a uma linha de recalque comum para que dividam a vazão necessária (em japonês, heiretsu unten). A vazão real é definida pelo ponto onde a curva combinada das bombas cruza a curva do sistema. Quando a altura manométrica exigida cresce com a vazão, cada bomba sobe na própria curva e entrega menos do que entregava sozinha, o que limita o ganho.

Este guia mostra por que se usa o paralelo, traz um exemplo com números e reúne quatro pontos de verificação: o coletor comum, bombas diferentes, o NPSH depois que uma bomba para e as válvulas de retenção. No fim há um checklist, perguntas para o fornecedor e os limites do método. Se você trabalha com documentos de bombas vindos do Japão, a tabela de termos abaixo ajuda na leitura.

Termos que aparecem em documentos japoneses de bombas

Folhas de dados, curvas de bombas e fluxogramas de engenharia (P&ID) vindos do Japão usam os termos abaixo para os assuntos deste artigo. A coluna de leitura mostra como o termo se pronuncia.

Japonês	Leitura	Português
並列運転	heiretsu unten	operação em paralelo
直列運転	chokuretsu unten	operação em série
全揚程	zen-yotei	altura manométrica total (H)
吐出量	toshutsu-ryo	vazão (Q)
抵抗曲線	teiko kyokusen	curva do sistema (curva de resistência da tubulação)
運転点	unten-ten	ponto de operação
締切運転	shimekiri unten	operação com vazão nula (shut-off, com a descarga bloqueada)
逆止弁	gyakushi-ben	válvula de retenção
軸動力	jiku doryoku	potência no eixo
必要NPSH	hitsuyo NPSH	NPSH requerido (NPSHr)
台数制御	daisu seigyo	controle do número de bombas em operação

Sumário

1. Por que operar bombas centrífugas em paralelo?
2. Como achar a vazão real: curva combinada e curva do sistema
3. Quatro pontos para verificar antes de operar bombas em paralelo
4. Normas e segurança: o que olhar no Brasil
5. Checklist: antes de acrescentar uma bomba em paralelo
6. Perguntas para o fornecedor das bombas ou para a engenharia no Japão
7. Limites deste guia
8. Perguntas frequentes
9. Fontes

Por que operar bombas centrífugas em paralelo?

A fábrica escolhe o paralelo quando uma bomba não atende à vazão necessária, ou quando quer variar o número de bombas em operação conforme a demanda. Cada bomba trabalha contra a mesma altura manométrica, e as vazões que entregam nessa altura se somam. O paralelo não soma alturas, como faz a associação em série.

Em série, soma-se a altura de cada bomba na mesma vazão. Em paralelo, soma-se a vazão de cada bomba na mesma altura. A regra "falta altura: série; falta vazão: paralelo" é um bom ponto de partida, mas nos dois casos a vazão e a altura finais dependem do sistema ao qual as bombas estão ligadas.

Operar uma bomba na demanda baixa e duas na demanda de pico pode ser mais adequado do que manter uma bomba grande estrangulada o tempo todo. Só que o rendimento de cada bomba e o método de controle também pesam, então instalar mais bombas, por si só, não garante economia de energia.

A segunda bomba também pode servir de reserva caso a primeira falhe. Operação alternada (uma bomba por vez) e operação com apoio (as duas ligadas no pico) exigem capacidades diferentes. Defina primeiro se é preciso manter a vazão total com uma bomba fora de serviço ou se basta continuar operando com vazão reduzida.

Figura 1: cada bomba recalca por seu próprio ramal antes de entrar no coletor comum

Duas bombas dividindo a vazão. As setas indicam o sentido do fluxo; cada ramal tem uma válvula de retenção. Role para o lado para ver a figura inteira.

Os símbolos de válvula só mostram onde o refluxo é bloqueado. Válvulas de bloqueio para manutenção, instrumentos e drenos foram omitidos.

No arranjo básico, cada bomba tem uma válvula de retenção no recalque, e os ramais se encontram no coletor comum (o barrilete de recalque), depois dessas válvulas. Na prática, o layout da sucção, a variação do nível do líquido e o comprimento dos ramais também influenciam a divisão de carga. Colocar duas bombas lado a lado não significa que dá para simplesmente somar as capacidades.

Como achar a vazão real: curva combinada e curva do sistema

Com duas bombas iguais, cada uma entrega a mesma vazão em qualquer altura manométrica. Para montar a curva combinada, dobre essa vazão em cada altura e una os pontos. A resposta que você procura é o novo cruzamento da curva combinada com a curva do sistema, e não o dobro da vazão de uma bomba só.

Veja um sistema fictício para mostrar a conta. A curva de uma bomba é H = 40 − 0,005q², e a curva do sistema (a altura que a tubulação exige) é H = 10 + 0,005Q². H está em metros, e as vazões q e Q estão em m³/h. Este modelo simplificado ignora diferenças de perda de carga entre os ramais até o ponto onde eles se juntam.

Figura 2: na mesma curva do sistema, uma bomba dá 54,77 m³/h e duas dão 69,28 m³/h

Gráfico do modelo fictício acima. A curva das duas bombas se estica no eixo da vazão, e o ponto de operação se desloca ao longo da mesma curva do sistema. Role para o lado para ver a figura inteira.

Os valores são cruzamentos do modelo. Não dá para ler neste gráfico a vazão admissível, a potência nem o NPSH de uma bomba real.

Uma bomba entrega cerca de 54,77 m³/h. Duas bombas juntas entregam cerca de 69,28 m³/h, um aumento de apenas 26,5%. Cada bomba passa a levar metade disso, cerca de 34,64 m³/h, menos do que entregava sozinha. O ganho é pequeno porque a altura exigida pelo sistema sobe à medida que a vazão aumenta.

Neste exemplo, a altura de operação sobe de 25 m, com uma bomba, para 34 m, com duas. Ao montar a curva combinada, somam-se vazões e não alturas, mas isso não quer dizer que a altura de operação permaneça constante. Quanto mais inclinada a curva do sistema, menos vazão se ganha ao acrescentar uma bomba.

Numa instalação real, ainda há perdas entre o flange de recalque de cada bomba e o coletor comum, por isso compare as bombas no ponto de ligação comum. Se os ramais diferem em diâmetro, comprimento ou válvulas, até duas bombas do mesmo modelo podem não dividir a carga igualmente. Inclua o trajeto de cada ramal ao calcular o ponto de operação.

Quatro pontos para verificar antes de operar bombas em paralelo

1. O coletor comum pode precisar de um diâmetro maior

Depois da junção, o coletor comum conduz a soma das vazões de todos os ramais, então reveja o seu diâmetro quando necessário. O paralelo não exige, automaticamente, um coletor maior. A decisão depende da vazão-alvo, da folga da tubulação existente e da perda de carga e da velocidade admissíveis.

Por exemplo, se a vazão real dobra e o diâmetro do coletor continua o mesmo, a velocidade média dobra. Quando o coeficiente de perda pode ser considerado constante, a perda de carga é proporcional ao quadrado da velocidade e fica quatro vezes maior. Ao projetar para uma vazão maior, atenção a esse aumento brusco da perda no coletor.

Figura 3: confira a seção do coletor antes de dobrar a vazão

Comparação ilustrativa, com o mesmo comprimento e as mesmas condições e coeficiente de perda constante. A necessidade de aumentar o diâmetro depende da perda admissível e de outros fatores.

Vazão dobrada, mesmo diâmetroVelocidade ×2 → perda de carga ×4 (coeficiente de perda constante)

Vazão dobrada, mesma velocidadeÁrea necessária ×2 → relação de diâmetros √2 ≈ 1,414

Cortes simplificados que mostram diâmetro e vazão; o perfil real de velocidades não aparece. O diâmetro nominal e o diâmetro interno real são diferentes.

Para conduzir o dobro da vazão na mesma velocidade, é preciso o dobro da área, ou seja, cerca de 1,414 vez o diâmetro interno. Isso não quer dizer dobrar o diâmetro nominal; compare os diâmetros internos reais. Não dimensione a tubulação só por esta conta, e inclua comprimento, rugosidade, conexões, válvulas e condições de instalação.

Se o diâmetro, a abertura das válvulas e as demais condições não mudam, acrescentar uma bomba não desloca a curva do sistema. O ponto de operação simplesmente passa para o cruzamento da mesma curva do sistema com a curva combinada das duas bombas. A curva do sistema só é redesenhada quando a própria resistência muda, por exemplo com troca de diâmetro ou estrangulamento de válvula.

Numa adaptação em que o coletor não pode ser trocado, calcule primeiro a vazão que a bomba adicional realmente alcançará e compare com a vazão necessária. Se a bomba extra quase não aumenta a vazão, verifique se o limite está nas perdas de carga do trajeto, das válvulas ou dos equipamentos, e compare outras alternativas além de acrescentar uma bomba.

2. Bombas diferentes podem operar em shut-off

Alguns projetos operam em paralelo bombas de desempenho diferente. Nesse caso, confirme que cada bomba consegue entregar vazão positiva contra a pressão do coletor comum. Bombas com curvas estáveis e alturas de shut-off (vazão nula) parecidas são mais fáceis de combinar; se as alturas de shut-off diferem, verifique como as bombas dividem a vazão em toda a faixa de demanda.

Se a pressão do coletor produzida por uma bomba for maior do que a pressão que a outra consegue desenvolver em shut-off, a válvula de retenção da bomba mais fraca permanece fechada. Essa bomba continua girando, mas não entrega nada. Compare não só as alturas de shut-off, mas também a diferença de pressão de sucção, as perdas nos ramais e as condições de abertura das válvulas de retenção.

Figura 4: a válvula de retenção impede o refluxo, mas a bomba mais fraca pode continuar sem vazão

Corte simplificado: a pressão que a bomba mais fraca consegue desenvolver não alcança a pressão do coletor, então a válvula fica fechada. Confira a pressão diferencial de abertura na especificação da válvula. Role para o lado para ver a figura inteira.

As setas mostram o sentido da pressão, não uma vazão real da direita para a esquerda. A válvula de retenção e a proteção de vazão mínima têm funções diferentes.

Em shut-off, parte da energia que a bomba transfere ao líquido vira calor, o que pode danificar selos e componentes internos. Um motor que continua girando sem que a bomba entregue vazão não é uma operação normal e não deve ser deixado assim.

A vazão zero não é o único risco. Fique atento também à operação abaixo da vazão mínima contínua indicada pelo fabricante e às regiões instáveis da curva. Mesmo bombas do mesmo modelo podem ter desempenho diferente se a rotação, o diâmetro do rotor, o desgaste ou os ajustes de controle forem diferentes, então conferir só a placa de identificação não basta.

Ao acrescentar uma bomba, avalie também se é possível medir separadamente a vazão e a pressão de recalque da bomba existente e da nova. Olhar só a vazão total pode esconder uma bomba que quase não está carregando carga. Confira ainda a corrente do motor, a vibração e a temperatura de cada bomba.

3. NPSH disponível depois que uma bomba para: depende da tubulação

Não existe regra geral de que o NPSHd cai quando se passa a operar com uma bomba. O NPSHd (NPSH disponível) é uma característica da instalação. Ele depende da pressão no tanque de sucção, do nível do líquido, da pressão de vapor na temperatura do líquido e das perdas na tubulação de sucção. Escolher uma bomba menor não o reduz por si só.

O que importa é que a vazão da bomba que permanece pode aumentar quando se passa de duas bombas para uma. No exemplo acima, cada bomba opera a 34,64 m³/h com duas em funcionamento, e a bomba restante vai para 54,77 m³/h sozinha. Como o ponto de operação muda, reverifique as condições de sucção, o NPSHr (NPSH requerido) e a potência nessa nova vazão.

Figura 5: depois que uma bomba para, a vazão cai na linha comum de sucção, mas sobe no ramal que segue operando

Vazões do exemplo acima. Calcule a perda na linha comum e no ramal em operação a partir das vazões de cada trecho e some para reavaliar a perda na sucção. Role para o lado para ver a figura inteira.

Esta figura apenas organiza as mudanças de vazão; não é uma simulação que inclua as perdas na sucção. Se o NPSHd sobe ou desce depende da perda em cada trecho, do nível, da temperatura do líquido e de outras condições.

No ramal de sucção que leva à bomba restante, a perda pode aumentar porque a vazão dessa bomba cresce. A linha comum de sucção, por outro lado, conduzia a soma das vazões das duas bombas, então a perda nela diminui quando a vazão total cai depois da mudança. Calcule o ramal e a linha comum separadamente.

Assim, se o NPSHd sobe ou desce depois da mudança depende do layout da sucção e do ponto de operação. Verifique também os casos em que nível baixo, líquido quente e filtro de sucção (strainer) entupido ocorrem juntos. Confirme que o NPSHd atende ao NPSHr do fabricante mais a margem especificada, com uma bomba e com várias em operação.

O NPSHr é o NPSH de que a própria bomba precisa. Quando o valor do catálogo é o NPSH3, ele corresponde ao critério de ensaio de queda de 3% na altura manométrica causada por cavitação. Um NPSHd acima desse valor não garante que nenhuma bolha de vapor se forme; a margem necessária e a faixa de operação dependem do modelo da bomba.

Reduzir apenas a altura de sucção não resolve a questão. Verifique juntas as perdas da superfície do líquido até a entrada da bomba e as condições de temperatura.

4. Uma válvula de retenção no recalque de cada bomba

Na operação em paralelo, instale uma válvula de retenção no recalque de cada bomba, antes da junção, para que a bomba em funcionamento não empurre fluxo de volta para a que está parada. Uma única válvula depois da junção não impede a recirculação de um ramal para o outro. No desenho da tubulação, confirme o sentido do fluxo e se cada válvula está em uma posição que isole o ramal parado.

O refluxo pode causar condições anormais, como uma bomba parada girando ao contrário. Se as bombas têm capacidades diferentes ou usam controle de rotação, confira a pressão do coletor comum e a pressão diferencial em cada bomba. A válvula de retenção só impede o refluxo; ela não resolve a falta de vazão de uma bomba fraca nem a operação em shut-off.

(A rotação inversa causada por refluxo é um problema diferente de um motor ligado com a sequência de fases errada.)

A mudança brusca de velocidade quando a válvula de retenção fecha também importa para o golpe de aríete (water hammer). Uma batida forte na parada não é prova de que a válvula está funcionando bem. Verifique as características de fechamento da válvula e as condições da linha de recalque; em linhas longas ou com grande desnível, considere uma análise de transientes (surge) quando necessário.

Se você combina controle de rotação (inversor de frequência) com o controle do número de bombas, confira também as condições de pressão na partida e na parada, a vazão mínima na demanda baixa e a frequência de liga e desliga.

Figura 6: verifique também os casos de uma bomba, demanda baixa e partida/parada, e não só duas bombas no pico

Itens a conferir combinando as curvas do fabricante com as condições do sistema. Role para o lado para ver a tabela inteira.

Situação de operação	O que verificar	Erro comum
Duas bombas, demanda de pico	Cruzamento das curvas combinada e do sistema, perda no coletor, divisão de carga entre as bombas	Supor que a vazão total é o dobro da vazão de uma bomba
Uma bomba em operação	Vazão da bomba restante, potência no eixo, NPSHr, perda no ramal	Supor que, com menos bombas, cada uma trabalha com menos carga
Demanda baixa	Vazão mínima, operação perto do shut-off, região instável, frequência de partidas	Não perceber que a bomba mais fraca gira, mas não entrega nada
Partida e parada	Prevenção de refluxo, fechamento da válvula de retenção, golpe de aríete, troca do modo de controle	Supor que só as válvulas de retenção resolvem os problemas de transiente

Para as sequências de operação, siga o manual de instruções do equipamento e os procedimentos operacionais controlados da sua planta.

Normas e segurança: o que olhar no Brasil

Esta seção só indica por onde começar; a norma aplicável depende do tipo de instalação e deve ser confirmada na edição vigente. Para sistemas de bombeamento de água de abastecimento público, a ABNT NBR 12214 trata do projeto de estações de bombeamento. Para a maioria das instalações industriais, valem a especificação do fabricante e o critério de projeto da própria fábrica.

Em segurança, a NR-12 (segurança no trabalho em máquinas e equipamentos) é a referência para as partes móveis do conjunto motobomba, como o acoplamento e outros elementos de transmissão, que exigem proteção. Trabalhos em motores e painéis envolvem também a NR-10 (instalações e serviços em eletricidade). Este guia não é instrução de trabalho: partida, parada e intervenção seguem o manual do equipamento e os procedimentos da planta.

Checklist: antes de acrescentar uma bomba em paralelo

• Você traçou a curva combinada contra a curva do sistema e leu a nova vazão total, em vez de dobrar a vazão de uma bomba?
• Você conhece a altura de operação com todas as bombas ligadas, e cada bomba continua dentro da faixa de operação admissível nesse ponto?
• Você calculou a perda no coletor comum na nova vazão total, usando diâmetros internos reais e não nominais?
• Se as bombas são diferentes (modelo, rotação, diâmetro do rotor, desgaste), cada uma consegue entregar vazão positiva na pressão do coletor em toda a faixa de demanda?
• Há uma válvula de retenção no recalque de cada bomba, antes da junção?
• Com uma bomba parada, qual é a vazão da bomba restante, e a potência no eixo, a potência do motor e o NPSHr são aceitáveis nessa vazão?
• Você calculou separadamente as perdas na sucção da linha comum e de cada ramal, incluindo nível baixo, temperatura alta e filtro de sucção entupido?
• A operação na demanda baixa fica acima da vazão mínima contínua do fabricante?
• O golpe de aríete e o fechamento das válvulas de retenção foram avaliados para partida, parada e desligamento de uma bomba?
• É possível medir separadamente a vazão, a pressão de recalque, a corrente do motor, a vibração e a temperatura de cada bomba?

Perguntas para o fornecedor das bombas ou para a engenharia no Japão

Se as bombas ou o projeto do sistema vêm do Japão, estas perguntas ajudam a obter os dados de que você precisa. Você pode colá-las em um e-mail do jeito que estão.

1. Por favor, enviem as curvas H-Q, de potência, de rendimento e de NPSHr de cada bomba, indicando o diâmetro do rotor e a rotação.
2. O NPSHr da curva é o NPSH3 (queda de 3% na altura)? Que margem de NPSH recomendam para esta aplicação?
3. Qual é a vazão mínima contínua e a faixa de operação admissível de cada bomba?
4. Por favor, compartilhem a curva do sistema usada no projeto e os pontos de operação esperados com uma bomba e com duas em operação.
5. As bombas foram previstas para operação em paralelo, e suas curvas são estáveis, com alturas de shut-off parecidas?
6. Que tipo de válvula de retenção está especificado em cada recalque, e quais são sua pressão diferencial de abertura e suas características de fechamento?
7. Foi feita uma análise de golpe de aríete (surge) para partida, parada e desligamento de uma bomba? Se sim, podem compartilhar os resultados?
8. Que sequência de partida e parada e que lógica de revezamento recomendam, inclusive a troca entre as bombas na demanda baixa?

Exemplo de solicitação: "Pretendemos operar as duas bombas em paralelo no coletor existente. Por favor, enviem as curvas das bombas (H-Q, potência, NPSH3) das duas unidades e a curva do sistema de projeto, e confirmem os pontos de operação, a potência no eixo e o NPSHr com uma bomba e com duas em operação."

Limites deste guia

• O exemplo numérico é um modelo fictício e simplificado. Ele ignora diferenças de perda nos ramais e não representa nenhuma bomba ou sistema real.
• O tamanho do ganho de vazão depende da forma da curva do sistema. Uma curva do sistema mais inclinada tende a limitar a vazão ganha ao acrescentar uma bomba.
• Margens de NPSH, vazão mínima e faixas de operação admissíveis dependem do modelo da bomba. Use os dados do fabricante, não valores genéricos.
• Sequências de partida e parada, ajustes de controle e proteção contra transientes são específicos de cada planta. Siga o manual do equipamento e os procedimentos controlados da sua fábrica; este guia não é instrução de trabalho.
• A economia de energia com paralelo ou controle do número de bombas depende das horas de operação, do rendimento das bombas, das perdas na tubulação, do controle e dos equipamentos auxiliares. Compare caso a caso.
• As referências a normas brasileiras são pontos de partida; confirme a edição vigente e a aplicabilidade antes de usá-las em projeto.

Perguntas frequentes

Duas bombas iguais em paralelo dobram a vazão?

Não necessariamente. Na curva combinada, a vazão em cada altura é o dobro da de uma bomba, mas o ponto de operação real é onde essa curva cruza a curva do sistema. Em um sistema em que a altura exigida cresce com a vazão, o total pode ficar bem abaixo do dobro da vazão de uma bomba. Calcule separadamente a vazão por bomba e a vazão total.

A altura manométrica continua a mesma quando as bombas operam em paralelo?

Não necessariamente. "Somar vazões na mesma altura" descreve como se monta a curva combinada; não quer dizer que a altura de operação permaneça constante. Ela depende da curva do sistema: se a vazão sobe ao longo dela, a altura de operação também muda. No exemplo fictício acima, ela vai de 25 m com uma bomba para 34 m com duas.

Bombas de tamanhos diferentes podem operar em paralelo?

Às vezes, se o projeto permitir. É preciso confirmar, para cada bomba e em toda a faixa de demanda, a vazão positiva, a estabilidade e a faixa admissível. Se a pressão do coletor superar o que a bomba mais fraca consegue desenvolver, a válvula de retenção dela não abre e a vazão é zero. Não combine bombas só pelo nome do modelo.

Quando uma bomba para, a carga da outra diminui?

Não necessariamente. A vazão da bomba restante pode ser maior do que a de cada bomba quando as duas operavam. Dependendo da característica de potência da bomba, a carga do motor também pode mudar, então confira a potência no eixo e a potência nominal do motor no ponto de operação com uma bomba. Reavalie também as perdas no ramal de sucção e o NPSHr nessa vazão.

Operar bombas em paralelo economiza energia?

Pode economizar, se for possível ajustar o número de bombas em operação ou a rotação à demanda variável. A economia anual real depende das horas de operação, do rendimento das bombas, das perdas na tubulação, do controle e dos equipamentos auxiliares. Acrescentar uma bomba nem sempre reduz o consumo de energia.

Fontes

• Curva combinada, válvulas de retenção individuais, alturas de shut-off diferentes e estabilidade: KSB, "Parallel operation" (em inglês)
• Curva do sistema e a premissa de que a perda de carga varia com o quadrado da vazão: KSB, "System characteristic curve" (em inglês)
• NPSHd e NPSHr, plano de referência, NPSH3: KSB, "NPSH"; Hydraulic Institute, "The Basics of NPSH & Pump Operating Regions" (em inglês)
• Tubulação de recalque comum e fundamentos da ligação em paralelo: Grundfos, "Pumps in parallel" (em inglês)
• Operação de reserva e de apoio, operação alternada (exemplo de produto): Grundfos, "SCALA1 twin pump configuration" (em inglês)
• Curvas H-Q estáveis (continuamente decrescentes) e curvas de desempenho em função da vazão: Torishima Pump, catálogo CAM/CAS (em japonês)
• Transientes de partida e parada, batida da válvula de retenção e análise de surge: Ebara, análise de golpe de aríete (em japonês)