Estações Elevatórias de Água

Nas EEA, os sistemas de bombeamento devem fornecer energia ao líquido em questão para que o trabalho relacionado ao seu peso no deslocamento seja vencido (MACINTYRE, 1997).

Em outras palavras, deve fazer determinado volume de água vencer a diferença de nível entre dois pontos, a qual é denominada altura geométrica total (Hg), cujo valor é igual à soma entre os valores da altura geométrica de sucção (Hs), da altura geométrica de recalque (Hr) e da perda de carga em todo percurso a ser realizado pela água (hf).

A perda de carga por sua vez, é igual à soma entre os valores da perda de carga localizada (hfL) e da perda de carga distribuída (hfD).

Logo, a soma entre a altura geométrica total Hg e a perda de carga total (Hf) é igual à altura manométrica (Hman), conforme observado na Figura 4 (AZEVEDO NETTO et al, 2002).

Figura 4: estação elevatória de água.

Fonte: Tsutiya (2005).

Nessas unidades, o CMB é o equipamento que mais demanda energia elétrica e é responsável por maior parte da sua despesa. Estima-se que durante sua vida útil, 3% do custo total com sistemas de bombeamento são para a sua aquisição e 74% são para o consumo de energia elétrica (BARRY, 2007).

Nesse caso, ressalta-se o valor elevado de consumo de energa elétrico perdido em sistemas de abastecimento de água mencionados no Capítulo 1, onde 4,09 TWh/ano de energia elétrica consumida são desperdiçadas causando prejuízo de 1,13 bilhão de R$/ano9 em 2013.

9 _{A despesa com consumo de energia elétrica no ano de 2013 foi de 3,07 bilhões de reais (BRASIL,} 2015).

Por meio de ensaios de laboratório, os fabricantes de bombas fornecem as curvas características das bombas: a curva de altura manométrica em relação à vazão –

H×Q – (primeira na Figura 5) a curva de potência em relação à vazão – P×Q – (segunda na Figura 5), a curva que relaciona o Net Positive Suction Head requerido e a vazão de bombeamento – NPSHr×Q – (terceira na Figura 5) (THEBE, 2005). A sobreposição da curva do sistema hidráulico10 sobre as curvas H×Q de uma família de bombas, resulta em vários pontos de operação da bomba, sendo que a curva mais indicada será aquela que apresentara o maior rendimento.

Figura 5: sobreposição entre curva do sistema e curva característica de CMB.

Fonte: Thebe11 _(2009).

10 _{É a curva desenvolvida com a variação de valores de vazão no cálculo de altura manométrica de} determinada instalação hidráulica.

11 _{THEBE. Catálogo geral de curvas. Disponível em: <http://www.thebe.com.br/pdf/catalogo/TH-16%20-} %20THA-16.pdf> Acesso: 02 jan 2012.

Como as necessidades de vazão e altura manométrica dependem dos sistemas hidráulico e eletromecânico em questão, nem sempre uma única bomba é o suficiente para as EEA (MACINTYRE, 1997), nesses casos a associação de bombas em série ou em paralelo são alternativas interessantes para o alcance de pontos de operação.

A associação em paralelo resulta no aumento da vazão a ser bombeada na EEA (GOMES, 2009). A associação de bombas em série é utilizada quando o sistema necessita de uma altura manométrica muito elevada em relação à vazão de bombeamento (SANTOS, 2007; GOMES e CARVALHO, 2012) e cada bomba é responsável por uma parte da carga manométrica total da associação (TSUTIYA, 2005). Sobre os motores elétricos que retiram energia elétrica da rede de distribuição, os assíncronos (ou de indução) trifásicos são largamente os mais utilizados em sistemas de bombeamento desde pequenas até as grandes potências. Compõe um motor de indução trifásico: a carcaça, o núcleo do estator o enrolamento do estator, a chaveta, o eixo, os mancais, as barras do rotor, a tampa do motor, entre outras observadas na Figura 6 (TSUTIYA, 2005, p. 234).

Figura 6: motor elétrico assíncrono (ou de indução) trifásico.

Com o passar do tempo o equipamento eletromecânico do sistema de bombeamento vai perdendo as características iniciais, se tornando cada vez menos eficiente. Isso ocorre, principalmente, pelo desgaste das gaxetas, ajustes inadequados e pressões elevadas. Como consequência, tem-se o deslocamento das curvas “H×Q” da bomba e do sistema hidráulico para baixo e, dessa forma, o CMB fornecerá carga hidráulica menor com uma vazão bombeada também menor, conforme observado na Figura 7 (SANTOS, 2007).

Figura 7: deslocamento da curva do CMB por desgaste dos seus componentes.

Fonte: Santos (2007, modificado).

Sob a ótica sistêmica, o deslocamento da curva de bomba é um importante inter-relacionamento entre unidades do SAA que ocasiona aumento do consumo de energia elétrica, pois para atingir a altura manométrica necessária para entregar o volume de água no destino requerido, o motor elétrico acaba demandando mais energia que o habitual e prolongando o tempo de funcionamento para chegar ao volume bombeado necessário. Esse excedente de energia elétrica consumida acaba sendo perdido quando o consumo real que foi elevado por ineficiência operacional é comparado a uma situação de referência, na qual o sistema opera corretamente.

Outro ponto a ser verificado está relacionado ao NPSH e, no caso, durante o funcionamento do sistema elevatório de água, mais especificamente na bomba, pode ocorrer diminuição de pressão no fluído ao ponto do líquido atingir seu ponto de tensão máxima de vapor (pressão de vaporização), resultando na formação de bolhas que implodem em regiões de pressões mais elevadas (COOPER, 1976).

Ao referido fenômeno é dado o nome de cavitação e dentre as consequências mais graves da mesma, está a erosão causada pela mencionada implosão das bolhas de vapor contra as pás do impulsor e carcaça, que resulta em ruídos, vibrações e danos (observados na Figura 8) e diminuição da eficiência da bomba (TSUTIYA, 2005).

Figura 8: rotor cavitado de uma bomba hidráulica.

Fonte: Notas de aula (Eletrobrás, 2014).

Para que uma bomba trabalhe sem cavitar, torna-se necessário que a pressão absoluta do líquido na entrada da bomba, seja superior à pressão de vapor, à temperatura de escoamento do líquido e, nesse sentido, é utilizada a Equação (11) para dimensionamento de bombas de forma segura (AZEVEDO NETTO et al, 2002).

g V H h P H Patm s v s_max ≥∆ *+ ₂1²      + γ + ± − γ (11) Onde:

Patm é a pressão atmosférica;

Hsmax é a altura de sucção máxima;

Pv é a pressão de vapor; γ é o peso específico da água;

O membro esquerdo da equação representa o NPSH disponível na instalação hidráulica e o membro direito representa o NPSH requerido pela bomba (informação do fabricante). É perceptível, então, que o único item que se tem domínio no dimensionamento da bomba para que a mesma não cavite é a altura de sucção e, portanto, deve se ter atenção especial nesse quesito ao projetar e operar sistemas de bombeamento para evitar problemas de cavitação e, consequentemente, aumento no consumo de energia elétrica.

Por fim, vale ressaltar as perdas reais de água nas EEA, que fazem com que todo o consumo de energia elétrica inerente a esses volumes também sejam perdidos no SAA, logo há a necessidade do bombeamento de quantidades cada vez maiores de recursos hídricos nas unidades à montante (quando existentes) por meio do aumento do tempo de funcionamento das EEA e, portanto, elevando o consumo de energia elétrica.

2.2.3 Adutoras

Com o envelhecimento da instalação hidráulica das adutoras de água bruta ou água tratada, os valores do coeficiente “C” de perda de carga de Hazen-Willians diminuem sensivelmente, como observado na Tabela 1, e no caso da rugosidade “e” para a formulação universal, os mesmos aumentam, conforme Tabela 2.

Tabela 1: exemplos de coeficientes C, sugeridos para Hazen-Williams.

Tubo Novos ± 10 anos ± 20 anos

Aço galvanizado roscado 125 100 -

Ferro fundido, revestimento epóxico 140 130 120

PVC 140 135 130

Fonte: Azevedo Netto et al. (2002).

Tabela 2: exemplos de coeficientes e, sugeridos para Fórmula de Darcy-Weisbach.

Tubo Novos ± 10 anos

Aço galvanizado 0,00015 m 0,0046 m

Ferro fundido 0,00025 m 0,0030 m

PVC 0,0001 m –

Com o aparecimento de aumento de rugosidade nas instalações hidráulicas ocorrerá o deslocamento da curva do sistema “H×Q” para cima (em função do aumento das perdas de carga), que resulta na diminuição da vazão bombeada, conforme observado na Figura 9 (SANTOS, 2007), e nesse sentido para recalcar o volume de água necessário ocorre o aumento do tempo de bombeamento e, portanto, aumento do consumo de energia elétrica.

Figura 9: deslocamento da curva do sistema por envelhecimento das instalações hidráulicas.

Fonte: Santos (2007, modificado).

Além disso, consumo de energia elétrica está relacionado aos volumes de água perdidos em vazamentos nas adutoras, onde as principais causas estão relacionadas aos materiais utilizados e ao envelhecimento dos mesmos, às obras mal executadas e à operação com pressões superiores aos limites da tubulação. Outras causas dos vazamentos são carga de tráfego, agressividade do solo (corrosão externa), movimentos de terra ocasionados por obras, deslizamentos etc. (TSUTIYA, 2005).

Nesse sentido, as perdas reais de água nas adutoras, que fazem com que todo o consumo de energia elétrica inerente a esses volumes também sejam perdidos no SAA, logo há a necessidade do bombeamento de quantidades cada vez maiores de recursos hídricos nas unidades à montante (quando existentes) por meio do aumento do tempo de funcionamento das EEA.