3 PROJETO E DESCRIÇÃO DO SISTEMA EXPERIMENTAL
3.1. Configuração sem a utilização de baterias
O sistema de dessalinização de água salobra tem na diminuição do seu custo o grande objetivo. Em um sistema OR-FV convencional as baterias são carregadas durante as horas de luz do dia e permitem que o equipamento de OR funcione continuamente, o que maximiza a produção diária. Permitem também a operação a fluxo constante, regime conveniente para os sistemas de OR. Entretanto, em climas quentes as baterias têm uma probabilidade de vida curta, já que são freqüentemente danificadas antes de seu término de vida e mantidas precariamente depois disso. Nestas circunstâncias, os custos de substituição de baterias são um dos principais problemas para sistemas FV em geral. A eficiência da bateria deve também ser considerada. Até mesmo as baterias novas têm perda de energia significante no ciclo carga/descarga e, em um sistema FV, isto deve aumentar substancialmente o tamanho do arranjo FV. Além disso, com o envelhecimento das baterias, a eficiência delas reduz consideravelmente e, em um sistema OR, isto será refletido em uma redução do fluxo de água produzida. No entanto, a utilização de baterias é decidida pelo custo do permeado produzido e por razões ecológicas.
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Nos modelos de sistemas OR-FV estão incluídos inversores eletrônicos e reguladores de carga. Estes tendem a ser caros (por kW) e podem não oferecer a flexibilidade de controle necessário para fazer o melhor uso do equipamento de OR (THOMSON e INFIELD, 2002). Na Figura 3.1 é mostrado o layout de um sistema OR- FV sem uso de baterias.
Figura 3.1 - Configuração Básica de um dessalinizador de água salobra sem o uso de baterias.
3.2. Metodologia do projeto
Pelas características climáticas favoráveis da região em estudo e as vantagens mencionadas acima, foi utilizada a configuração da unidade de osmose reversa sem o uso de baterias. A metodologia adotada para instalação de um sistema OR-FV em comunidades isoladas, leva em consideração dentre outros fatores: a capacidade de extração de águas subterrâneas, as propriedades físico-químicas da água
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do poço, a demanda, as características da membrana de OR, a radiação solar e a temperatura ambiente.
A exploração das águas subterrâneas se acha limitada pela natureza dos seus terrenos, predominantemente cristalinos, pela vazão relativamente baixa (média de 3.000 L.h-1) e principalmente pela qualidade da água. Lembrando que, é de vital
importância conhecer a capacidade de extração de água do poço, para não reduzir seu nível e comprometer a sua vida útil.
A especificação de sistemas de OR para a dessalinização de água exige o conhecimento de suas características físico-químicas, além do estabelecimento da demanda local. Para o presente estudo, uma análise físico-química da água foi realizada com o objetivo de detectar elementos como cálcio, cloro, ferro e manganês. A presença desses elementos determina uma maior ou menor freqüência de limpeza química do equipamento, embora não influa nas variáveis de operação. A análise da água utilizada mostrou a necessidade de instalação de um filtro de pré-tratamento devido à presença de sedimentos. A presença de microorganismos na água tais como bactérias, exige o uso de um equipamento de esterilização. Realizou-se, portanto, uma análise bacteriológica da água (ver o resultado do exame no Apêndice A).
A membrana em espiral utilizada foi a RE-2540-TE da SAEHAN CSM que apresenta um diâmetro de 6,35 centímetros (2,5 polegadas) e comprimento de 101.60 centímetros (40 polegadas). Os ensaios operacionais realizados pelo fabricante
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com uma concentração de 2.000 mg.L-1 e pressão nominal de 1,55 MPa (1.550 kPa)
apresenta um fator de recuperação de 15 %, como estudado no item 2.2.3. Como o sistema utilizou 3 elementos em série, o fabricante mostra que o fator máximo de recuperação, para esta configuração seria de 38 %. As características da membrana podem ser visualizadas na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Dados de aplicação da membrana de OR - RE2540-TE (SAEHAN CSM)
Pressão máxima de operação 2,78 MPa
Vazão máxima de alimentação 1,3 m3.h-1 Vazão mínima do concentrado 0,22 m3.h-1 Fator de Recuperação máximo por elemento 20%
Quanto mais membranas em série maior será a taxa de recuperação, como mostra a Tabela 3.2. O rendimento de um dessalinizador varia com a pressão de operação - que pode ser controlada - e a temperatura da água que, em princípio, não pode ser controlada.
Tabela 3.2 – Taxa ou fator de recuperação máximo - RE2540-TE (SAEHAN CSM)
Número de elementos 1 2 3 4 5 6 7
Fator de recuperação (%) 16 29 38 46 53 59 64
A temperatura da água não é uma variável de muita preocupação, podendo variar um pouco com o tempo, mas não a ponto de afetar muito o desempenho do sistema de OR. No Brasil, onde não ocorrem baixas temperaturas, especialmente no Nordeste, não será um problema.
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Tratando-se de um sistema de OR acionado por um gerador FV, faz-se necessário conhecer as características da radiação solar da região em estudo.
3.2.1. Características da radiação solar
Como o presente estudo foi realizado em Recife (Latitude 8º00’ S e Longitude 34º55’ W), faz-se necessário conhecer o comportamento da radiação solar média mensal e o período insolação diário, obtidos através do Atlas Solarimétrico do Brasil (TIBA et al, 2000), como mostra a Figura 3.2.
Figura 3.2 – Radiação solar global diária e a insolação diária para Recife-PE. Fonte: TIBA et al, 2000.
O período que apresenta os menores valores para radiação solar média mensal é entre Março e Agosto, o que coincide com o período chuvoso, em destaque para o mês de Junho (3.806 Wh.m-2). Já o período com os maiores valores para a
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 5200 5600 6000 Mês R ad ia çã o so la r g lo ba l d iá ria [W h/ m 2 /d ia ] 5500 5416 5111 4389 4056 3806 3861 4750 5195 544557225472 9.1 8.5 7.6 7.1 6.5 6.2 6.4 6.9 8.1 9.0 9.5 9.5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 In so la çã o d iá ria [h ]
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radiação solar é entre Setembro e Fevereiro, o que coincide com o período seco, e com destaque para o mês de Novembro (5.722 Wh.m-2). A insolação diária também segue a mesma tendência, com menor índice em Junho (6,2 h) e maior em Novembro e Dezembro (9,5 h).
3.3. Características da unidade de dessalinização por osmose reversa
O equipamento de osmose reversa foi projetado para as seguintes condições:
a) Capacidade de suprimento: O sistema escolhido deve atender às necessidades de água potável de uma comunidade de 300 pessoas (com 2 litros por pessoa). Foi definido, portanto, um sistema com uma vazão nominal de 250 L.h-1;
b) Potência dos motores: Os motores utilizados foram escolhidos de acordo com as características de alimentação (2 conjuntos, um monofásico - 220V e um trifásico - 220 V) para operar conectado à rede ou com um conversor de freqüência. A potência dos motores é de 0,55 kW (3/4 HP). A bomba utilizada em ambos os conjuntos tem uma potência de 0,55 kW e possui 19 estágios;
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3.3.1. Características operacionais e formas de funcionamento
Como foi mencionado anteriormente, o presente trabalho foi realizado com utilização de dois conjuntos de motores-bomba. Esses conjuntos foram utilizados para a realização de três configurações, que são as seguintes:
a) Configuração A: Motor monofásico (220 V) conectado à rede elétrica convencional;
b) Configuração B: Motor trifásico (220 V) conectado à rede elétrica convencional com a utilização do conversor de freqüência;
c) Configuração C: Motor trifásico (220 V) conectado ao gerador fotovoltaico com a utilização do conversor de freqüência.
A Figura 3.3 mostra o diagrama completo do sistema de OR com a opção da utilização das três configurações mencionadas anteriormente. A água é retirada do poço através de um sistema de bombeamento independente e armazenada no tanque ou reservatório de alimentação (TQ1). Em TQ1 é feito a manipulação do nível de salinidade desejado para cada ensaio. A bomba de entrada (BIN) é responsável pela alimentação de água do sistema (mais adiante será explicado que essa bomba pode ser retirada do sistema). Antes de BIN localizam-se os sensores de vazão da água de alimentação (Qa) e de condutividade (medir concentração de sais) da alimentação (Ca).
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A água de alimentação segue em direção a bomba de alta-pressão (BAP), passando antes pelo filtro de cartucho (FT) que é responsável pela filtragem de resíduos que porventura possam entrar nas membranas. A água de alimentação chega a BAP misturada por uma pequena quantidade de solução anticrustante adicionada à tubulação através da bomba dosadora (BDO) para evitar os incrustantes, que são sais normalmente solúveis na água, precipitam e se depositam na superfície das membranas. Isso é facilmente entendido quando verifica-se que na área próxima à membrana a concentração de sais é bem superior à concentração do sal na água de entrada, podendo atingir o limite de solubilidade e assim precipitando. Também, antes e depois do FT foram colocados dois sensores de pressão P1 e P2, respectivamente, para indicarem através da diferença P2 – P1 a necessidade de troca do filtro. A BAP mandará o fluxo de água de alimentação para o sistema de membranas, composto por um arranjo de 3 membranas em série. Foi instalado um sensor de pressão (P3) na entrada do sistema de membranas. A saída do permeado de cada membrana vai para o reservatório de água permeada (PERMEADO) e também, em menor quantidade, para o reservatório de retrolavagem (TQ2). Na entrada do PERMEADO foram colocados sensores de vazão (Qp) e de condutividade (Cp). A saída do concentrado de cada membrana vai para a
entrada de alimentação da membrana seguinte, e depositada após passar pela última membrana no reservatório de água concentrada (CONCENTRADO). Na entrada do CONCENTRADO encontra-se a válvula de manipulação do sistema (VA) e um sensor de pressão (P4). Através de VA é que varia-se a carga hidráulica da unidade dessalinizadora. Na necessidade de uma limpeza no sistema de membranas utiliza-se a
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retrolavagem, que é realizado pela bomba de retrolavagem (BRL) alimentado pela água permeada do TQ2 em circuito fechado pela válvula VA.
Figura 3.3 – Layout completo da unidade de OR utilizada.
Além do que já foi mencionado, os equipamentos em comum com as configurações são os seguintes:
a) Bomba de Entrada (BIN) (220 V – monofásico – 1/3 CV ≅ 0,25
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b) Bomba de Retrolavagem (BRL) (220 V – monofásico – 1/3 cv ≅
0,25 kW);
c) Bomba Dosadora (BDO) (220V – 0,11 A);
d) Bomba de Alta Pressão (BAP) (220 V – trifásico – 3/4 HP ≅
0,55 kW);
e) Filtro de cartucho (FT) – O elemento filtrante é o cartucho de celulose aglomerada e polipropileno 5 micra (vazão máxima de operação de 1,0 m3.h-1 e pressão diferencial máxima de 1,8 - 2,4 kg.m-2);
f) Cartuchos de membranas (M) – Tubo de alta pressão confeccionado em aço inox 304, inteiramente montado com membranas de osmose reversa (Pressão máxima de operação: 355,0 psi ≅ 2,44 MPa)
3.3.2. Instalação da unidade de OR
Foi instalado um reservatório de água com capacidade de 3.000 litros para a preparação da solução de água salobra a ser dessalinizada, bem como as instalações elétricas e hidráulicas necessárias, como mostra a Figura 3.4.
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(a) (b)
(c) (d)
Figura 3.4 - Instalação da bancada de OR. (a) reservatório para o preparo da solução de água concentrada; (b) sistema de OR em fase inicial de instalação; (c) sistema de OR após instalação do quadro de leitura automática de salinidade e vazão; (d) sistema de
aquisição de dados.
A unidade de osmose reversa foi instalada em um dos laboratórios do Grupo FAE. Um quadro de leituras de vazão e salinidade foi adaptado ao sistema para o acompanhamento visual dessas grandezas (Figura 3.4b). Grandezas como vazão de água, pressão em diferentes etapas do processo, salinidade da água (de alimentação e do permeado) e potência elétrica do conjunto motor-bomba foram monitoradas através de sensores instalados no equipamento (Figura 3.4c). A monitoração do sistema é feita utilizando-se um sistema de aquisição de dados (datalogger) que lê a saída elétrica dos diversos sensores (Figura 3.4d) e, através de uma programação adequada, a converte nas
Sensores Concentração
Sensores Vazão
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grandezas esperadas. Os dados são posteriormente transferidos a um microcomputador e processados.
Na Figura 3.5 é possível visualizar alguns dos sensores instalados no sistema.
Figura 3.5 - Sensores instalados no equipamento de Osmose Reversa. (1) Entrada de água nas membranas (2) Saída do concentrado. 3.4. Sistema de medição e aquisição de dados
O sistema de medição consiste de instrumentos utilizados para monitoração da unidade OR, que é composta por sistema de aquisição de dados, medidor de condutividade (condutivimetro), sensor de vazão, sensor de pressão e piranômetro.
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3.4.1. Sistema de aquisição de dados
Composto basicamente de condicionadores de sinais, conversores analógico/digital (A/D) e software.
Os condicionadores de sinais são circuitos eletrônicos que adequam os sinais analógicos para o conversor digital (A/D). Os principais sub-componentes dos condicionadores são os amplificadores, filtros e isoladores. Através dos amplificadores, o sinal analógico é amplificado. E quando necessário, o condicionador de sinais responsabiliza-se também pela alimentação dos sensores. Os filtros reduzem os ruídos do sinal analógico, ou seja, diminuem eventuais interferências que podem ser originadas por diversas fontes: radiofreqüência, rede elétrica, aterramento, etc. Os isoladores, quando presentes, têm a função de proteger os outros módulos contra eventuais descargas atmosféricas, as quais podem causar danos irreversíveis aos circuitos eletrônicos digitais (RIFFEL, 2005).
O conversor A/D de 12 bits, Figura 3.6, possibilita a conversão dos sinais analógicos em sinais digitais com erro inferior a 0,1 %. Os dados podem sofrer diferentes tratamentos antes de serem medidos, uma vez que o método de integração que pode ser lento (2,72 ms), permite uma leitura com menos ruído, ou rápido (0,25 ms). Essas entradas podem ser medidas na escala de 10 mV com resolução de 0,33 µV até 5000 mV e resolução de 166 µV.
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Figura 3.6 – Sistema de aquisição de dados. Fonte: CAMPBELL SCIENTIFIC, 2005
O sistema de aquisição de dados utilizado, modelo CR-23X micrologger® fabricado pela Campbell Scientific Inc., Figura 3.6, possui 12 entradas analógicas diferenciais configuradas individualmente, podendo ser utilizadas como 24 entradas simples e 8 entradas/saídas digitais. O programa PC208W, versão 3.0, específico para o sistema, permite um intervalo de execução de 1/64 até 8191 segundos e utiliza mais de 132 diferentes instruções em sua programação.
3.4.2. Sensor de condutividade
A Condutividade Eletrolítica também chamada de Condutância Específica, consiste na capacidade de uma solução para conduzir corrente elétrica em soluções eletrolíticas. Difere da condução nos metais, efetuada por elétrons localizados na banda de condução, enquanto que nos líquidos a condução é feita por "íons". A condutância específica resulta da soma das contribuições de todos os íons presentes.
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Contudo a fração de corrente transportada depende da concentração relativa de cada tipo de íon e da facilidade com que se movimenta no meio (mobilidade). A Condutividade depende de todos os íons presentes na solução.
Em função do tipo de solução a ser analisada, tem-se uma tabela de conversão de condutividade (em geral, dada em microSiemens por centímetro) para
concentração (mg.L-1). Uma vez que a concentração de Sólidos Totais Dissolvidos
(STD) representa a concentração de todo o material dissolvido na água (habitualmente na forma de íons) é comum que o comportamento desse índice seja semelhante ao comportamento da Condutividade Elétrica.
Em conjunto com o medidor de concentração, utiliza-se uma célula.
Essa célula consiste tipicamente em duas placas ou em dois cilindros concêntricos (eletrodos), com geometria bem definida. A separação entre as placas forma uma coluna de solução. Portanto a medida é independente do volume total da solução. O tipo de geometria utilizada será em função da concentração da solução, variando a distância e ou a secção das placas. A relação "distância" sobre "secção" determinará a constante da célula (K). A escolha da célula terá um "K" baixo para eletrólitos de baixa condutividade e um "K" alto para os de alta condutividade.
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(a) (b)
Figura 3.7 – (a) Sensor de condutividade TC-44 e (b) Célula de condutividade TX-01 Fonte: DIGIMED, 2005
O sensor de condutividade utilizado foi o modelo TC-44 (instrumento de linha, instalado diretamente na tubulação) em conjunto com a célula de condutividade TX-01 fabricado pela Digimed, como mostra a Figura 3.8. Foram utilizados dois TC-44 com célula de K = 1 cm-1: um para analisar a concentração da água de alimentação com uma faixa de medição de 0 a 40.000 mg.L-1 e para analisar a concentração da água do permeado com uma faixa de medição de 0 a 2000 mg.L-1 com
erro relativo de 0,05%.
Além destes, foi utilizado um medidor de condutividade modelo DM-31 com célula de K = 1 cm-1, como mostra a Figura 3.8. Diferentemente do TC-44, o DM- 31 é um instrumento de bancada utilizado para leitura da concentração da águas de alimentação, permeado e concentrado. Analisa concentrações na faixa de 0 a 10.000 mg.L-1 com erro relativo de 0,05%. Este instrumento foi importante para verificação da
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Equação do balanço de massa (ver Eq. 2.2) e comparar com os valores registrados pelo TC-44.
(a) (b)
Figura 3.8 – (a) medidor de condutividade DM-31 e (b) Célula de condutividade DMC- 010 (K=1 cm-1)
Fonte: DIGIMED, 2005 3.4.3. Sensor de pressão
Os sensores de pressão utilizados foram do tipo piezométricos, modelo Druck PTX 1000 Series, da General Electric Company (Figura 3.9). Utilizaram-se quatro sensores: dois com faixa de leitura de 0 a 3 bar (0 a 0,3 MPa) correspondentes a P1 e P2 e dois com faixa de leitura de 0 a 20 bar (0 a 2 MPa) correspondentes a P3 e P4
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Figura 3.9 – Sensor de pressão. Fonte: DRUCK, 2005
3.4.4. Sensor de vazão
Foram utilizados dois sensores de vazão do tipo hidromagnético, do modelo SITRANS F M MAGFLO (MAG 1100) do fabricante Siemens (Figura 3.10), sendo um para medição de vazão da água de alimentação e outro para água do permeado. O sensor apresenta um erro menor que 0,25%.
Figura 3.10 – Sensor de vazão. Fonte: SIEMENS, 2005
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3.4.5. Piranômetro
O piranômetro é um instrumento para medir a radiação solar global. O modelo Li-cor utilizado, Figura 3.11, é classificado como de segunda classe, segundo a ISO (International Organization for Standardization). Apresenta erro de calibração de 3% e deriva máximo de 2% ao ano.
Figura 3.11 – Piranômetro modelo Li-cor utilizado 3.4.6. Transdutor de potência
Foi utilizado um transdutor de potência ativa, do fabricante Yokogawa, que possui uma relação do transformador de corrente (TC) de 50/5 A e do transformador de potencial (TP) de 200/200 V operando a 60 Hz, e um erro de 0,5 %.
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3.4.7. Sensor de temperatura ambiente e umidade relativa
O sensor de temperatura ambiente é usado para estimar a temperatura na célula. O modelo utilizado foi o termohigrômetro da Campbell Scientific, com erro de 0,5%.