UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO DE JOINVILLE CURSO DE ENGENHARIA AEROESPACIAL
ANDRÉIA LARISSA ALVES DE ALMEIDA
ANÁLISE DE UM SISTEMA DE COLETA A VÁCUO: REMOÇÃO DO CONDENSADO ACUMULADO NAS CABINES EXPERIMENTAIS E ÓPTICAS DO PRÉDIO SIRIUS
Joinville 2020
ANDRÉIA LARISSA ALVES DE ALMEIDA
ANÁLISE DE UM SISTEMA DE COLETA A VÁCUO: REMOÇÃO DO CONDENSADO ACUMULADO NAS CABINES EXPERIMENTAIS E ÓPTICAS DO PRÉDIO SIRIUS
Trabalho apresentado como requisito para obtenção do título de bacharel no Curso de Graduação em Engenharia Aeroespacial do Centro Tecnológico de Joinville da Universidade Federal de Santa Catarina. Orientador: Dr. Marcos Alves Rabelo
Joinville 2020
ANDRÉIA LARISSA ALVES DE ALMEIDA
ANÁLISE DE UM SISTEMA DE COLETA A VÁCUO: REMOÇÃO DO CONDENSADO ACUMULADO NAS CABINES EXPERIMENTAIS E ÓPTICAS DO PRÉDIO SIRIUS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para obtenção do título de bacharel em Engenharia Aeroespacial, na Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico de Joinville.
Joinville (SC), 30 de novembro de 2020.
Banca Examinadora:
________________________ Dr. Marcos Alves Rabelo
Orientador Presidente
________________________ Dr. Rafael Giena Cuenca
Membro
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Dr. Ernane Silva
Membro
Dedico este trabalho as minhas avós Francisca e Anália, e principalmente a minha mãe Ivanira, (in memoriam), a essas mulheres fortes que me ensinaram a ser a pessoa que sou hoje, obrigada por terem feito parte da minha vida.
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer ao CNPEM, pela oportunidade de realizar o estágio no Sirius, também ao Diogo Peixoto e a todos os integrantes do grupo ILL, por terem me guiado nessa jornada.
Ao professor Marcos Rabelo, por ter me ajudado na transcrição deste trabalho, foi uma honra ter o senhor como orientador.
Aos meus professores da UFSC CTJ, em especial, ao Fabiano Wolf, Rafael Delatorre, Viviane Soethe e ao meu coordenador de curso Rafael Cuenca, por terem me agregado bastante conhecimento durante a minha graduação.
À Luciana Reginato, por sempre ter paciência e ter me ajudado nos momentos mais difíceis da minha vida, sem a sua ajuda não teria conseguido concluir o curso.
Às minhas amigas, Laura, Marcela, Gabriela e Karina, vocês foram essenciais na minha graduação e na minha vida. Eternas Aerogirls.
À minha família, inclusive, ao meu pai José Adalberto por ter me dado essa oportunidade e por ter feito de tudo por mim, ao meu irmão Paulo Gustavo, por sempre ter me dado força, as minhas primas Rafaela e Renata, por terem ficado ao meu lado, ao meu namorado Guilherme, por ter me ajudado nos momentos em que mais precisei e ao Félix, que foi fundamental no meu tratamento.
A menos que modifiquemos a nossa maneira de pensar, não seremos capazes de resolver os problemas causados pela forma como nos acostumamos a ver o mundo (Albert Einstein).
RESUMO
Acoleta a vácuo é amplamente utilizada em diversos sistemas, tais como na coleta de efluentes de avião, navios, shoppings e até nacoleta de condensado de supermercados. Devido a uma falha no sistema atualmente utilizado, no conjunto de coleta de águas residuais das máquinas AVAC, do prédio Sirius, foi necessário o estudo de outros tipos de sistemas de coleta diferentes do atualmente utilizado, o conjunto de coleta por pressão positiva. Dentre os sistemas de gravidade e à vácuo, foi decidido então, a utilização do sistema de coleta de efluentes a vácuo. Foram analisados quatro subtipos de grupos de coleta à vácuo, o conjunto de coleta para uma cabine (5 litros), para a linha de luz (20 litros), Evac (Sistema Bonito) e Airvac (Tipo 30). Após a análise de todos os sistemas, decidiu-se implementar o conjunto Evac, principalmente, devido ao tempo de instalação, que é um dos fatores que mais influencia na implementação do projeto. Palavras-chave: Sistema de Coleta. Vácuo. Condensado. Umidade.
ABSTRACT
Vacuum collection is widely used in several systems, such as the collection of effluents from aircraft, ships, shopping malls and even in the collection of condensates from supermarkets. Due to a failure in the system currently used, in the system of waste water collection of the HVAC machines, in the Sirius building, it was necessary to study other types of collection systems different from the one currently used, the collection set for positive pressure collection. Among the gravity and vacuum systems, it was decided to use the vacuum effluent collection system. Four subtypes of vacuum collection groups were analyzed, the collection set for a hut (5 liters), for the beamline (20 liters), Evac (Bonito System) and Airvac (Type 30). After analyzing all the systems, it was decided to implement the Evac, mostly due to the installation time, which is one of the factors that most influences the project's implementation.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Foto aérea do acelerador de partículas Sirius ... 19
Figura 2 – Modelo de máquina AVAC da linha Cateretê, cabine óptica ... 21
Figura 3 – Máquina AVAC de teto, antes da instalação ... 21
Figura 4 – Máquina AVAC cassete instaladas ... 22
Figura 5 – Máquina AVAC vertical e tubos de insuflamento do ar ... 22
Figura 6 – Umidade do hall do prédio durante uma semana ... 23
Figura 7 – Temperatura do hall do prédio durante uma semana ... 23
Figura 8 – Massa de vapor de água em 1m3 de ar saturado (UR = 100%) ... 25
Figura 9 – Sistema simplificado de transporte de efluentes por pressão ... 26
Figura 10 – Sistema de coleta de esgoto por gravidade de um prédio ... 27
Figura 11– Sistema residencial de coleta de esgoto à vácuo ... 28
Figura 12 – Sistema de coleta de condensado das máquinas AVAC, mini tank pump ... 29
Figura 13 – Vazamento do condensado ... 30
Figura 14 – Gráfico de altura por vazão, mini tank pump ... 32
Figura 15 – Cabine interna das linhas de luz ... 36
Figura 16 – Desenho das chicanes (a) corte A-A (b) ... 37
Figura 17 – Encanamento interno da linha Manacá ... 37
Figura 18 – Sugestão de percurso do encanamento da linha Carnaúba ... 38
Figura 19 – Caixa coletora... 41
Figura 20– Conjunto de coleta de condensado a vácuo 5 l ... 42
Figura 21 – Componentes utilizados no VSS de 20 l ... 44
Figura 22 – Desenho técnico do conjunto de 20 L vista superior a) vista de corte A-A b) vista de corte B-B ... 45
Figura 23– Airvac tipo 30 ... 46
Figura 24 – Unidade coletora Airvac ... 47
Figura 25 – VSS com tanque de coleta Airvac ... 48
Figura 26 – Evac Bonito ... 49
Figura 27 – Desenho da unidade coletora Evac (a) caixa coletora (b) unidade coletora instalada (c) ... 50
Figura 28 – Bomba de vácuo Evac ... 51
Figura 30 – Planta da central de vácuo (5 l) ... 56
Figura 31 – Planta da central de vácuo (20 l) ... 56
Figura 32 – Esquemático da central de vácuo ... 57
Figura 33 – Linha de condensado instalada nas linhas de luz ... 61
Figura 34 – Encanamento do anel ... 62
Figura 35 – Provável lugar de alocação do encanamento do anel ... 63
Figura 36 – Local externo indicado para instalar a central de vácuo ... 65
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Conclusão dos 5 porquês ... 31
Quadro 2 – Sistema 5 l ... 59
Quadro 3 – Sistema 20 l ... 60
Quadro 4 – Sistema Evac... 60
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Valores de projeto e atuais de temperatura, umidade e massa de vapor de água ... 33
Tabela 2 – Dados de umidade para a temperatura fixa de 24°C ... 33
Tabela 3 – Umidade resultante ... 34
Tabela 4 – Quantidade de água gerada em cada condição ... 35
Tabela 5 – Coeficiente de perda de carga característico ... 39
Tabela 6 – Dados das caixas coletoras ... 52
Tabela 7 – Custo unitário da caixa coletora ... 53
Tabela 8 – Dados das bombas ... 54
Tabela 9 – Custo orçado da VSS para a linha de luz Cateretê ... 58
Tabela 10 – Custo de instalação estimado ... 58
Tabela 11 – Dados das tubulações ... 63
Tabela 12 – Quantidade de objetos na tubulação do ramal ... 64
Tabela 13 – Quantidade de objetos na tubulação do anel... 64
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AVAC – Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado CLP – Controlador Lógico Programável
CNPEM – Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais ILL – Infraestrutura das Linhas de Luz
LNLS – Laboratório Nacional de Luz Síncrotron UA – Umidade Absoluta
UR – Umidade Relativa VSS – Vacuum Sewer System
LISTA DE SÍMBOLOS
Atub – Área da seção transversal da tubulação
Danel – Diâmetro da tubulação do anel
Dramal – Diâmetro da tubulação do ramal
nl – Quantidade de luvas
f – Fator de atrito
fanel – Fator de atrito do anel
framal – Fator de atrito do ramal
g – Gravidade
Ktês – Coeficiente de perda de carga característico do tê
Kv – Coeficiente de perda de carga característico da válvula
Kc45 – Coeficiente de perda de carga característico da curva de 45°
Kc90 – Coeficiente de perda de carga característico da curva de 90°
Lanel – Comprimento da tubulação linear do anel
Lramal – Comprimento da tubulação linear do ramal
nl – Quantidade de luvas ntês – Quantidade de tês nv – Quantidade de válvulas nc45 – Quantidade de curvas de 45° nc90 – Quantidade de curvas de 90° Re – Número de Reynolds UA – Umidade Absoluta
UA(ideal) – Umidade Absoluta ideal
UA(max) – Umidade Absoluta máxima
UA(r) – Umidade Absoluta dentro do prédio ou de projeto
UA(ra) – Umidade Absoluta atual
UA(rp) – Umidade Absoluta máxima de projeto
UA(res) – Umidade Absoluta resultante
UR – Umidade Relativa
vanel – Velocidade do escoamento na tubulação do anel
vramal – Velocidade do escoamento na tubulação do anel
∆Pramal – Variação de pressão na tubulação da linha de luz
∆Panel – Variação de pressão na tubulação do anel
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 16 1.1. OBJETIVOS ... 17 1.1.1. Objetivo Geral ... 17 1.1.2. Objetivos Específicos ... 18 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 19
2.1. MÁQUINAS AVAC E GERAÇÃO DO CONDENSADO ... 20
2.1.1. Controle de temperatura e umidade ... 20
2.1.2. Umidade do ar e geração de condensado... 24
2.2. SISTEMA DE COLETA DE EFLUENTES ... 25
2.2.1. Sistema de pressão ... 26
2.2.2. Sistema de gravidade ... 26
2.2.3. Sistema a vácuo (VSS) ... 27
3. METODOLOGIA E ESTUDO DO SISTEMA ATUAL ... 29
3.1. CONJUNTO DE COLETA INSTALADO ATUALMENTE ... 29
3.2. ANÁLISE DA GERAÇÃO DE EFLUENTES ... 33
3.3. AVALIAÇÃO DO LOCAL INICIAL A SER INSTALADO ... 35
3.4. PERDA DE CARGA ... 38
4. DESCRIÇÃO DOS SISTEMAS ... 40
4.1. SISTEMA PRÓRIO PARA UMA CABINE ... 40
4.2. SISTEMA INTERNO PARA A LINHA DE LUZ ... 43
4.3. SISTEMA AIRVAC ... 46
4.4. SISTEMA EVAC ... 49
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 52
5.1. CAIXA COLETORA ... 52
5.2. CENTRAL DE VÁCUO ... 54
5.3. DEFINIÇÃO DO MELHOR SISTEMA ... 59
5.4. ANÁLISE DO PROCESSO DE INSTALAÇÃO ... 61
6. CONCLUSÃO ... 67
1. INTRODUÇÃO
Conjuntos de coleta a vácuo são utilizados no mundo todo, em sistemas de coleta de efluentes, sistemas de coleta de lixo sólido e em sistemas mais simples, como, aspiradores de pó. Ao se tratar da coleta de efluentes, observa-se que é uma tecnologia pouco utilizada no Brasil. Apenas alguns locais do país possuem acesso a esse sistema, uma das áreas onde está instalado o conjunto de coleta de esgoto a vácuo é em Jurerê Internacional, bairro localizado na cidade de Florianópolis (SAE, 2020).
Esses sistemas são aplicados em larga escala, tanto no ramo aeronáutico, como em empresas, indústrias e até em cidades. Ao ser comparado com o sistema de coleta de esgoto por gravidade, possui uma complexidade de projeto e operacional superior, porém, ao se tratar do investimento de construção, o conjunto a vácuo pode ter o custo de instalação até 33% inferior ao ser contrastado com o por gravidade (ISLAM, 2017).
O sistema de coleta de esgoto a vácuo funciona por diferença de pressão negativa, ou seja, a pressão interna do sistema é menor do que a atmosférica, movimentando o fluido, na direção de menor pressão, quanto maior for a diferença de pressão, em módulo, maior será a velocidade do fluido.
O sistema VSS (Vacuum Sewer System) é composto por uma caixa de coleta, que recebe o esgoto por gravidade, uma linha de encanamento principal, responsável pelo transporte do esgoto, e uma estação de vácuo, que contém a bomba geradora de vácuo e o tanque em que será gerado o vácuo (ISLAM, 2017). É um sistema prático e adaptável, por não depender de perfurações no solo, pois, em geral, o encanamento do VSS fica na parte superior (teto) do ambiente a ser instalado (SEYOUM, 2015).
O VSS pode ser de grande porte, que comporte o esgoto de uma cidade inteira, ou um sistema de pequeno porte, utilizado em supermercados para a coleta de condensado de máquinas de AVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado) e de câmaras de refrigeração de alimentos (EVAC, 2020).
Em máquinas AVAC, dependendo das funções de cada máquina, elas podem gerar aproximadamente 1,4 l/h a 42 l/h de condensado, em ambientes em que há a necessidade de refrigeração e/ou controle de umidade (LNLS, 2020). O prédio possui um grupo de máquinas para o tratamento do ar, mas, também é necessária a utilização de máquinas dentro das linhas de luz, por serem ambientes controlados que necessitam de maior precisão no tratamento do ar.
Atualmente utiliza-se o conjunto de coleta por pressão para a retirada desses efluentes, porém, ele não funciona de forma correta ocasionando vazamentos dentro das cabines. Para solucionar esse problema foi estudado o conjunto de coleta de condensado a vácuo, devido a impossibilidade de implementação de um conjunto por gravidade. Este sistema será detalhado ao decorrer do trabalho.
O prédio é disposto em forma de anel, cada linha de luz possui alguns tipos diferentes de salas, as cabines ópticas, local em que ficam localizados os espelhos para a focalização do feixe de luz, as experimentais, local em que são realizados os experimentos nas amostras, as salas de racks, local que possui a parte eletrônica da linhas, as casas de máquinas, em que se encontram algumas máquinas AVAC do prédio e as salas de controle, local em que são observados os experimentos pelos pesquisadores.
Para analisar os tipos de VSS’s presentes no mercado, foram comparados dois sistemas de vácuo comerciais, Airvac e Evac, duas empresas que já possuem experiência no mercado de coleta de efluentes a vácuo. Também, foram desenvolvidos internamente, dois protótipos de VSS adequados para as linhas de luz do Sirius.
Os sistemas comerciais existentes são para aplicações de vazões muito maiores do que o necessário no prédio, por isso, houve a necessidade de uma análise mais aprofundada e o desenvolvimento dos protótipos, já que ambas as empresas não se dispuseram a fazer um sistema adaptado às vazões de efluentes existentes.
A proposta deste trabalho é avaliar a possibilidade de aplicação do sistema, levando em consideração as limitações estruturais e de trabalho do Sirius, decidir qual a melhor solução dentre os quatro tipos de conjunto a vácuo que serão estudados, quais sejam duas soluções comerciais e duas desenvolvidas internamente, por integrantes do grupo ILL (Infraestrutura de Linha de Luz), e aplicar o sistema nas estruturas internas do hall experimental.
1.1. OBJETIVOS
Para resolver a problemática relacionada a geração de condensado por máquinas AVAC, propõe-se neste trabalho os seguintes objetivos.
1.1.1. Objetivo Geral
1.1.2. Objetivos Específicos
▪ Definir quais os problemas do sistema de coleta atualmente utilizado nas linhas de luz;
▪ Desenvolver inicialmente sistemas de coleta de condensado a vácuo e comparar com as soluções de mercado existentes selecionadas previamente; ▪ Aplicar o conjunto que melhor se adequa nas cabines ópticas, experimentais e
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O Sirius é um dos mais novos aceleradores de partículas fonte de luz síncrotron de quarta geração do mundo, sendo a maior e mais complexa obra de pesquisa construída no país (LNLS, 2014). Localizado em Campinas, interno ao CNPEM (Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais) dentre os laboratórios do centro, o acelerador de partículas engloba a pesquisa do LNLS (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron). O prédio, em formato de anel, pode ser observado na figura 1.
Figura 1 – Foto aérea do acelerador de partículas Sirius
Fonte: Veja (2020).
Por ser uma tecnologia inédita no Brasil, alguns problemas surgiram ao decorrer da construção, como, a geração de condensado pelas máquinas refrigerantes. Por não possuir um local adequado para o descarte, incluído no projeto, foi necessária análise de um conjunto de coleta de condensado, respeitando as limitações e exigências do prédio.
2.1. MÁQUINAS AVAC E GERAÇÃO DO CONDENSADO
Grande parte da estrutura interna do prédio Sirius consiste na construção das linhas de luz do acelerador dado que, basicamente, cada linha é composta por cabines ópticas e experimentais. As linhas de luz possuem requisitos para o funcionamento, como, o nível de vibração do ambiente, a variação da temperatura e em alguns casos a variação de umidade.
O controle das medidas de vibração, temperatura e umidade deve possuir baixa variação nos seus valores, por exemplo, em algumas cabines da linha de luz Carnaúba a temperatura não pode variar acima de 0,01°C (informação verbal)1, poisqualquer alteração no
ambiente pode afetar a posição do feixe de luz, devido à sua dimensão, que é cerca de 30 vezes menor do que um fio de cabelo humano (LNLS, 2014). No caso deste trabalho, todas as cabines necessitam do controle de temperatura e algumas, do controle de umidade.
Ambos os controles podem ser ajustados pelas máquinas AVAC. No processo de desumidificação do ar, há a geração de água residual,algumas máquinas podem gerar até 42 l/h de efluentes, sendo que, a quantidade de litros varia dependendo da umidade do ambiente externo.
2.1.1. Controle de temperatura e umidade
As máquinas AVAC tem como função principal o controle de temperatura das cabines, mesmo o Sirius já possuindo um conjunto de ajuste de temperatura e umidade interno ao prédio. Cada cabine tem sua própria máquina, já que os equipamentos utilizados para os experimentos geram uma certa quantidade de energia, estimada em 3 kW (informação verbal)2 e qualquer perturbação da temperatura pode ocasionar na invalidação dos experimentos. O mesmo ocorre com a umidade, que além de interferir nos resultados, pode ocasionar defeitos em alguns equipamentos. Segue um esquemático de um dos tipos de ar condicionado utilizados:
1Informação dada pelo eng. Adalberto Ferreira Melo Fontoura em uma reunião com a autora, via chamada no
Microsoft Teams, em 06 ago. 2020.
2Informação dada pelo do eng. Diogo Figueredo Peixoto em uma reunião com a autora, no Sirius - CNPEM, em
Figura 2 – Modelo de máquina AVAC da linha Cateretê, cabine óptica
Fonte: adaptado LNLS (2019, p.1).
A máquina funciona da seguinte forma: o ar externo percorre o primeiro filtro, com o intuito de retirar as partículas maiores, para que não grudem ou danifiquem os materiais internos. Após isso, o ar atravessa a serpentina, local em que a água gelada percorre entrando a 7 °C e saindo a 15 °C (informação verbal)3. O ar já resfriado passa por o segundo filtro fino,
para a remoção de pequenas partículas, logo em seguida, é aquecido até a temperatura de 24 °C e insuflado por toda a cabine. Nas figuras 3, 4 e 5 pode-se observar alguns modelos de máquinas AVAC utilizadas nas cabines:
Figura 3 – Máquina AVAC de teto, antes da instalação
Fonte: autora (2020).
3Informação dada pelo eng. Adalberto Ferreira Melo Fontoura em uma reunião com a autora, no Sirius -
Figura 4 – Máquina AVAC cassete instaladas
Fonte: autora (2020).
Figura 5 – Máquina AVAC vertical e tubos de insuflamento do ar
Fonte: autora (2020).
Cada linha de luz possui um sistema refrigerante diferente, variando de acordo com o que cada cabine necessitará, uma vez que, o tamanho das máquinas depende dos filtros acoplados, da dimensão da sala no qual será instalado e do sistema de controle que será utilizado. O controle de umidade é um dos fatores responsáveis pelo aumento ou redução do volume de condensado.
Em dias úmidos será gerado maior volume de condensado. Como exemplo, cita-se o caso em que a umidade do hall do prédio ultrapassa 70%, nesse cenário a água residual produzida pelas máquinas refrigerantes pode chegar até o dobro do valor do que é considerado em projeto. Isso se dá, devido a uma falha do controle de umidade do prédio, pois ele foi projetado para mantê-la em torno de 50 +/- 10 % (informação verbal)4.
Figura 6 – Umidade do hall do prédio durante uma semana
Fonte: autora (2020).
A figura 6 apresenta a variação da umidade interna do prédio. Pode-se visualizar que ela ultrapassa os valores de projeto,e com isso, dificulta o processo do controle de umidade das máquinas AVAC das cabines, aumentando o volume de condensado. Esse aumento ocasiona sobrecarga do sistema de retirada de águas residuais existente, sendo o seu funcionamento explicado posteriormente.
Figura 7 – Temperatura do hall do prédio durante uma semana
Fonte: autora (2020).
4Informação dada pelo eng. Adalberto Ferreira Melo Fontoura em uma reunião com a autora, no Sirius -
A figura 7 apresenta a variação de temperatura do hall do prédio, podendo-se observar que a temperatura varia cerca de 24 +/- 1 °C, que é o esperado para o controle de temperatura do hall do prédio.
2.1.2. Umidade do ar e geração de condensado
Qualquer máquina de ar condicionado irá gerar um certo volume de água residual, pois quando o ar úmido entra em contato com a serpentina fria provoca a mudança de estado da água, de gasosa para líquida, ou seja, o fluido condensará. Para que seja feito o controle de umidade, o ar continuará circulando na serpentina até que toda a umidade acima de 50% seja retirada.
Para prever a quantidade de condensado que será gerado além do valor considerado em projeto, é calculada a UA (Umidade absoluta) resultante, que é a diferença entre a UA(r) e a
UA no caso ideal, umidade absoluta é quantidade de vapor de água presente no ar atmosférico (SILVEIRA, 2018).
Essa umidade absoluta resultante é a quantidade de vapor de água resultante no ar, dentro do prédio, ou seja, que deverá ser removido pelas máquinas AVAC. O cálculo da UA resultante é feito seguindo a equação 1:
UA(𝑟𝑒𝑠) = UA(𝑟) – UA(𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙) (1)
UA (res) é a umidade absoluta resultante, UA (r) pode ser a umidade absoluta dentro do
prédio ou a de projeto, UA (ideal) é a umidade absoluta ideal, isto é, a umidade nas condições
ideais de trabalho: 24°C e 50%. Para o cálculo da umidade absoluta, usa-se a umidade absoluta máxima que é a quantidade máxima de vapor de água contida em 1m3 de ar. A figura 8 apresenta os valores da umidade absoluta máxima em relação a temperatura, para pressões de 1 atm.
Figura 8 – Massa de vapor de água em 1m3 de ar saturado (UR = 100%)
Fonte: Silveira (2018).
A umidade absoluta é dada pela seguinte relação, entre a umidade relativa e a umidade absoluta máxima:
UA = UR . UA𝑚𝑎𝑥 (2)
Dado que UA é a umidade absoluta, UR a umidade relativa e UAmax a umidade
absoluta máxima.
2.2. SISTEMA DE COLETA DE EFLUENTES
Para a implantação do sistema de coleta de condensado fez-se um estudo dos tipos e a avaliação de qual se adequa às condições existentes. Os sistemas mais utilizados são os de pressão, gravidade e a vácuo. Eles serão detalhados a seguir.
2.2.1. Sistema de pressão
No sistema de pressão, são utilizadas bombas para o transporte de águas residuais. O efluente inicial é despejado em um tanque de coleta, por meio de gravidade, e após atingir um certo nível de água no tanque, a bomba é acionada, o que gera uma diferença de pressão e impulsiona o esgoto até o local de descarte (SEYOUM, 2015). Pode-se observar abaixo o esquemático de um sistema de pressão simplificado, utilizado para esgotos residenciais.
Figura 9 – Sistema simplificado de transporte de efluentes por pressão
Fonte: adaptado de Sydney Water (2020).
Ele possui transporte efetivo do esgoto, independe da topografia do local e o custo é menor do que o sistema de gravidade, porém, necessita do design profissional, de uma fonte de energia permanente para as bombas, operadores especializados e utiliza água para o transporte do esgoto (SEYOUM, 2015).
No caso da adaptação para o sistema de condensado, reduz-se o tamanho da bomba e volume do tanque de coleta, devido ao nível de efluentes gerados. Esse é o sistema atualmente utilizado nas máquinas AVAC das linhas de luz.
2.2.2. Sistema de gravidade
O sistema por gravidade, apesar de ser simples, é um sistema muito caro, pois dependendo da área e topografia do local, há a necessidade da escavação de cavidades profundas.
Esse conjunto funciona apenas pela força de gravidade, é utilizado um encanamento inclinado para que os efluentes escoem, um exemplo do sistema por gravidade pode ser visto abaixo.
Figura 10 – Sistema de coleta de esgoto por gravidade de um prédio
Fonte: Viana (2019).
Ele é bastante utilizado junto com o sistema de pressão ou o sistema a vácuo, fazendo parte do início do conjunto, levando das casas até um tanque, após isso é ejetado por outro tipo de sistema.
Esse conjunto não pode ser utilizado no Sirius, pois o piso não pode ser perfurado, já que todo o local possui tratamento especial no pavimento do prédio, a fim de evitar qualquer vibração relacionada ao chão interfira no posicionamento dos feixes de luz.
2.2.3. Sistema a vácuo (VSS)
O sistema a vácuo é uma das mais novas tecnologias para remoção de efluentes, ele utiliza um conjunto semelhante ao de pressão, porém ao invés de uma diferença de pressão positiva é gerada uma diferença de pressão negativa, ou seja, a pressão ambiente é maior do que a pressão no tanque, movendo assim o fluido na direção de menor pressão (ISLAM, 2017). O esquemático do sistema pode ser visto a seguir.
Figura 11– Sistema residencial de coleta de esgoto à vácuo
Fonte: Ragazzo (2020).
Inicialmente o efluente é jogado na caixa de válvula, ou câmara de coleta, utilizando a gravidade, quando atingido o nível máximo na caixa, definido pelo sensor de nível, a válvula conectada à linha de vácuo é aberta e o efluente junto com ar do ambiente é aspirado até o tanque de coleta. O vácuo é realizado no tanque pelas bombas de vácuo e controlado pelo painel de controle.
Esse conjunto é o que melhor se adequa a diversos locais, pois o encanamento pode ser alocado no teto, não possuindo uma limitação de espaço, as bombas causam uma diferença de pressão em módulo, maior do que as de bombeamento por pressão positiva e o risco de entupimento dos canos é baixo (SEYOUM, 2015).
Por ser um sistema mais complexo, exige que os operadores do sistema sejam altamente qualificados, o design da planta de vácuo deve ser feito por especialistas, o investimento é alto e há a necessidade de conexão com energia para o funcionamento contínuo (SEYOUM, 2015).
Apesar disso ele é o que requer menos água para o transporte de esgoto, o sistema é fechado, ou seja, não há vazamentos de fluidos ou cheiros e não há a necessidade da utilização de bueiros (SEYOUM, 2015).
O VSS é formado por três sistemas básicos: 1) caixa coletora, 2) encanamento e 3) estação de vácuo (ISLAM, 2017).
3. METODOLOGIA E ESTUDO DO SISTEMA ATUAL
Este trabalho propõe-se a um estudo de caso, baseado em dados quantitativos e qualitativos dos sistemas de coleta de efluentes a vácuo, partindo do desenvolvimento inicial de dois tipos de projetos de sistemas de coleta, produzidos pelo grupo ILL e a avaliação de dois sistemas comerciais de empresas com experiência no mercado de coleta a vácuo, para poder concluir qual desses projetos se adequa mais ao Sirius.
Para atingir os objetivos planejados, estruturou-se a metodologia da seguinte forma: estudo sobre o conjunto atualmente instalado, análise da geração do condensado e avaliação do local a ser instalado os sistemas.
3.1. CONJUNTO DE COLETA INSTALADO ATUALMENTE
Como citado anteriormente, o sistema instalado atualmente é o conjunto de coleta por bombas de pressão, é um sistema prático, de fácil instalação e não ocupa muito espaço (ASPEN, 2020). Cada máquina AVAC possui o seu conjunto de coleta, a bomba de pressão pode ser observada na figura 12.
Figura 12 – Sistema de coleta de condensado das máquinas AVAC, mini tank pump
Apesar de ser um sistema compacto e prático, há a necessidade de substitui-lo, pois ocorrem vazamentos constantes na caixa de coleta, diversas hipóteses sobre o porquê ocorreu o vazamento foram levantadas. Para a definição de quais as principais falhas, foi utilizada a ferramenta de qualidade dos 5 porquês. Essa ferramenta funciona de forma que, é necessário perguntar cinco vezes o porquê de um problema estar ocorrendo, até que se ache a causa raiz desse problema (LIMA, 2019). A figura 13 exibe o vazamento, o quadro 1 apresenta os locais em que pode ter ocorrido a falha e as conclusões relacionadas aos porquês:
Figura 13 – Vazamento do condensado
Quadro 1 – Conclusão dos 5 porquês
Locais Conclusões
Serpentinas e/ou filtros
Travamento da bomba por sujeira/particulado, que pode ser devido a óleo remanescente das serpentinas ou particulados que não foram filtrados.
Sistema de controle
Controle de condensado descalibrado, gerando uma quantidade superior ao considerado em projeto.
Serpentinas Rompimento da serpentina, gerando o vazamento de água. Bomba de
pressão Limite de vida útil reduzido, devido ao uso contínuo da bomba. Encanamento Falha na drenagem, devido ao diâmetro do encanamento ser superior
ao indicado no manual. Bomba de
pressão Coluna de líquido acima do suportado pela bomba Fonte: autora (2020).
Foram realizados testes para cada hipótese sugerida. Ao verificar a possibilidade de travamento da bomba, em algumas ocasiões, foi necessário realizar a troca ou a limpeza da mini tank, nisso observou-se que havia uma certa quantidade de óleo na caixa coletora, o que pode ter ocasionado o travamento da bomba, já que ela foi feita para trabalhar apenas com água (ASPEN, 2020).
Para que o óleo não fosse mais um problema, foi solicitado aos fabricantes do ar condicionado, a limpeza geral das serpentinas, pois esse óleo é utilizado na fixação das serpentinas nas placas do trocador de calor, e pode ter ficado acumulado no interior delas.
Ao testar se houve ou não o rompimento da serpentina, foi fechada a saída de água gelada, forçando-a a ficar armazenada na serpentina, sem que fosse realizado o resfriamento do ar, logo, qualquer efluente gerado seria proveniente de furos ou rompimento da serpentina. Após o fechamento da saída da água, não foi observado nenhum fluxo de efluentes para a caixa coletora, portanto, não seria possível ter vazamento na serpentina.
Já ao analisar a possível falha no encanamento, observou-se que a altura máxima de coluna d’água suportada pela bomba é igual a 15 metros, já a altura que a bomba precisa vencer dentro das cabines não ultrapassa 5 metros, ou seja, a altura máxima não é atingida.
Avaliando-se a saída da tubulação, visualizou-se que o diâmetro do encanamento máximo suportado mini tank é de 10 mm (ASPEN, 2020), os diâmetros da linha manacá e das outras linhas de luz são sucessivamente 1/2 e 3/4 de polegadas (12,7 e 19,05 mm), logo, são maiores do que o diâmetro requerido no manual.
Já no limite de vida útil, a bomba foi projetada para funcionar em modo não contínuo, isto é, ela precisa de uma pausa no funcionamento antes de ser ativada novamente. O seu ciclo funciona de forma que a bomba deve passar 5 min ligada e 5 min desligada (ASPEN, 2020).
Para verificar se há o desgaste da bomba, reduzindo o seu limite de vida útil e ocasionando a falha, não foi realizado um teste de tempo para observar se ela trabalha nesse regime, apenas fez-se a análise com o volume de fluido gerado, para observar se há ou não a sobrecarga da mini tank.
Figura 14 – Gráfico de altura por vazão, mini tank pump
Fonte: adaptado de ASPEN (2020, p.5).
A figura 14 apresenta a relação de altura de coluna d’água por vazão máxima. A altura de coluna d’água é a altura que a bomba consegue levantar o líquido em relação a vazão recomendada. Por exemplo a altura na linha de luz Manacá é de aproximadamente 4 m, então a vazão máxima suportada seria de um pouco menos de 25 l/h.
As vazões obtidas dos efluentes nas máquinas variam de 4 até 42 l/h, como o limite máximo na altura citada é de 25 l/h, em algumas salas será ultrapassada a vazão máxima da bomba, ocasionando na sobrecarga da mini tank pump.
A umidade como comentado no tópico 2.1.1, está acima do esperado, será realizado o cálculo da umidade resultante, como explicada anteriormente, para um estudo mais aprofundado da geração de condensado.
3.2. ANÁLISE DA GERAÇÃO DE EFLUENTES
O sistema de controle de umidade foi projetado para que umidade relativa do prédio chegasse no máximo até 60%. Os dados de projeto e atuais são apresentados na tabela 1 e foram baseados na figura 8.
Tabela 1 – Valores de projeto e atuais de temperatura, umidade e massa de vapor de água Temperatura Umidade
relativa
Umidade absoluta máxima
Limite máximo projetado 24°C 60% 21,8 g/m3
Valor ideal 24°C 50% 21,8 g/m3
Valor atual 24°C 70% 21,8 g/m3
Fonte: adaptado de LNLS (2020).
Tomando como base a temperatura de 24°C, a variável será apenas a UR, de acordo com os valores da tabela 1. Utilizando a equação 2 obtém-se a UAde cada caso.
Tabela 2 – Dados de umidade para a temperatura fixa de 24°C Umidade
relativa
Umidade absoluta
Valor máximo de projeto 60% 13,08 g/m3
Valor ideal 50% 10,90 g/m3
Valor atual 70% 15,26 g/m3
Fonte: autora (2020).
Utilizando a equação 1, calcula-se os valores de umidade resultante, para os casos quando: UA(r) será o valor máximo de projeto UA(rp) e quando UA(r) será o valor atual do prédio
Tabela 3 – Umidade resultante
Quantidade de vapor de água
UA(rp) 2,18 g/m3
UA(ra) 4,36 g/m3
UA(ra) - UA(rp) 2,18 g/m3
Fonte: autora (2020).
Ao observar a tabela 3, pode-se verificar que a quantidade de vapor de água atual é o dobro do valor máximo considerado no projeto. O valor atual, representa a quantidade de condensado que é necessário ser removido, o valor máximo de projeto é a quantidade de condensado máxima que o sistema foi projetado para remover e a diferença entre UA(ra) e UA(rp)
é a quantidade de umidade excedente que será gerada.
A tabela 4 apresenta o volume de água que realmente é gerado, nas situações UR e temperatura, previstas, de projeto, máxima admissível e nas condições atuais.
Tabela 4 – Quantidade de água gerada em cada condição Linha de luz Ambiente Previsão de geração de condensado (l/h) Volume de água gerado nas condições de projeto (l/h) Volume de água gerado nas condições máximas (l/h) Volume de água gerado atualmente (l/h)
Manacá Cabine OE: A 2,50 2,23 4,11 8,21
Cabine ES: B 2,50 2,23 4,11 8,21
Sala de Racks 6,60 6,67 12,27 24,54
Sala de controle 2,00 2,08 3,82 7,64
Total 13,60 13,21 24,30 48,60
Cateretê Cabine OE: A 2,50 2,23 4,11 8,21
Cabine OE: B 2,50 2,23 4,11 8,21
Cabine ES: C 2,50 2,52 4,63 9,26
Total 7,50 6,98 12,84 25,69
Carnaúba Cabine OE: A 2,50 2,56 4,71 9,42
Cabine OE: B 2,50 2,56 4,71 9,42 Casa de máquinas 10,50 10,41 19,15 38,30 Cabine OE: C 3,20 3,11 5,73 11,46 Cabine ES: D 3,20 3,11 5,73 11,46 Cabine ES: E 3,20 3,11 5,73 11,46 Total 25,10 24,87 45,75 91,51
Ema Cabine OE: A 2,60 2,61 5,76 11,51
Cabine ES: B 8,00 7,78 20,93 41,86
Sala de Racks 5,60 5,62 10,46 20,93
Sala de controle 3,60 3,56 7,85 15,70
Total 19,80 19,57 44,99 89,99
Ipê Cabine OE: A 3,60 3,36 5,23 10,46
Cabine OE: B 1,40 1,29 2,14 4,29
Total 5,00 4,65 7,38 14,75
Fonte: adaptado de LNLS (2020)
Pode-se observar que o volume de água gerado atualmente é quase quatro vezes o volume ideal de projeto, em que UR será 50%.
3.3. AVALIAÇÃO DO LOCAL INICIAL A SER INSTALADO
Antes de analisar qual o melhor conjunto a ser instalado, é necessário o estudo do local, averiguando a altura das cabines e o comprimento final do encanamento para poder definir quais as limitações existentes em cada caso.
Todas as cabines irão trabalhar com certos comprimentos de onda de radiação e as paredes servem para proteção, com espessuras de 50 mm ou 15 mm, nos locais onde irão incidir
os feixes de luz, e 30 mm ou 10 mm, nas paredes em que os raios não incidem. As dimensões maiores são para cabines ópticas e as menores para cabines experimentais.
As cabines são apenas montadas no interior do prédio, suas paredes são moldadas por empresas externas, devido à radiação elas não podem possuir furos diretos, por isso, elas possuem aberturas laterais e no teto desenvolvidas como chicanes, que servem para reduzir a velocidade do feixe, atrapalhando a fuga da radiação. As setas na figura 15 apresentam algumas chicanes das cabines. Qualquer encanamento e fio, deve passar por essas aberturas.
Figura 15 – Cabine interna das linhas de luz
Fonte: autora (2020).
Figura 16 – Desenho das chicanes (a) corte A-A (b)
(a) (b) Fonte: Gomes (2020).
O encanamento que irá transportar o condensado passa por uma das chicanes no teto da cabine. O trajeto sugerido dos canos no interior da cabine pode ser visualizado na figura 17.
Figura 17 – Encanamento interno da linha Manacá
Um dos fatores que mais dificulta na escolha do sistema é a soma das elevações, na figura 17 o total é de 3,88 metros. Todas as salas possuem a mesma configuração, portanto, a maioria possui a elevação final de aproximadamente 4 m. Em alguns casos as máquinas são instaladas no teto, na parte externa ou interna da cabine, nessas situações o sistema de coleta também é instalado na parte superior, o que decorre na redução das elevações percorridas pelo encanamento.
Outro quesito que interfere é o comprimento final do encanamento, que é a distância total que o cano irá percorrer, desde o ponto de coleta até o ponto de descarte. A figura 18 apresenta uma sugestão de encaminhamento dos canos.
Figura 18 – Sugestão de percurso do encanamento da linha Carnaúba
Fonte: LNLS (2020).
A distância de todo o encanamento indicado em vermelho da figura acima é de aproximadamente 183 metros. Os conjuntos representam as caixas coletoras a serem instaladas em cada ambiente. No caso das centrais de vácuo, elas podem ser instaladas nas salas de máquinas ou na parte externa do prédio.
3.4. PERDA DE CARGA DA TUBULAÇÃO
Para o cálculo da perda de carga do encanamento, foram utilizadas as equações a seguir baseadas em BAPTISTA, M.; COELHO, 2010. Como, para a linha de encanamento, serão consideradas a tubulação do anel e as tubulações para cada linha de luz, as equações foram separadas de acordo com cada trecho.
∆𝑃𝑟𝑎𝑚𝑎𝑙 =𝑔 𝜌𝐻2𝑂 𝑣𝑟𝑎𝑚𝑎𝑙2 2 (𝑓𝑟𝑎𝑚𝑎𝑙. 𝐿𝑟𝑎𝑚𝑎𝑙 𝐷𝑟𝑎𝑚𝑎𝑙 + 𝑛𝑐45. 𝐾𝑐45+ 𝑛𝑐90. 𝐾𝑐90. +𝑛𝑡ê𝑠. 𝐾𝑡ê𝑠. ) (3) ∆𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙 =𝑔 𝜌𝐻2𝑂 𝑣𝑟𝑎𝑚𝑎𝑙2 2 (𝑓𝑎𝑛𝑒𝑙. 𝐿𝑎𝑛𝑒𝑙 𝐷𝑎𝑛𝑒𝑙+ 𝑛𝑐45. 𝐾𝑐45. +𝑛𝑐90. 𝐾𝑐90. +𝑛𝑡ê𝑠. 𝐾𝑡ê𝑠. 𝑣𝑎𝑛𝑒𝑙2 2𝑔 + 𝑛𝑣. 𝐾𝑣. +𝑛𝑙. 𝐾𝑙. ) (4)
Para o caso em que Re < 2100, o escoamento é laminar e o fator de atrito pode ser calculado com a equação 5:
𝑓 = 64 𝑅𝑒
(5)
A velocidade de escoamento será calculada pela vazão máxima obtida de acordo com a tabela 5, 42 l/h, seguindo a equação 6.
𝑣 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝐴𝑡𝑢𝑏𝑢𝑙𝑎çã𝑜
(6)
Sendo ∆P variação da pressão, f o fator de atrito, L o comprimento da tubulação horizontal, v a velocidade da água, g a gravidade, D o diâmetro do encanamento, Vmax a vazão
máxima, Atubulação a área da secção transversal da tubulação, n a quantidade de objetos e K é o
coeficiente de perda de carga característico do objeto. Esses objetos podem ser, reduções, expansões, válvulas, tês, curvas, luvas e junções. O coeficiente de perda de carga de cada objeto pode ser observado na tabela 5.
Tabela 5 – Coeficiente de perda de carga característico
Componentes K Válvulas 0,05 Tês 0,60 Curva 45° 0,20 Curva 90° 0,40 Luvas e junções 0,40
4. DESCRIÇÃO DOS SISTEMAS
Com a falha do sistema de pressão positiva e impossibilidade de instalação do sistema de gravidade, o conjunto escolhido para a utilização nas máquinas AVAC das linhas de luz foi o sistema de coleta a vácuo.
Para a avaliação de qual sistema de coleta a vácuo seria instalado, fez-se a pesquisa de algumas empresas com soluções comerciais e estudou-se o desenvolvimento de soluções internas produzidas pelo grupo ILL.
Em todas as VSS’s, apenas a caixa coletora e a estação de vácuo serão detalhadas neste capítulo, já que o encanamento a ser utilizado é simples, podendo ser de PVC, e será definida uma outra empresa para a instalação dos canos, já que nem o CNPEM e nem as empresas externas oferecem o produto junto com o conjunto de coleta. Os conjuntos comerciais das empresas Airvac e Evac e as soluções internas serão descritos a seguir.
4.1. SISTEMA PRÓRIO PARA UMA CABINE
O conjunto para uma cabine foi inicialmente desenvolvido pelo grupo ILL. Ele foi pensado para ser um conjunto compacto, que pudesse ser instalado no teto do local, assim cada sala teria seu sistema de coleta.
A figura 19 apresenta a caixa coletora projetada pelo grupo ILL. Ela faz parte do primeiro conjunto do VSS, em que, todo o condensado gerado será enviado para o reservatório por gravidade.
Figura 19 – Caixa coletora
Fonte: adaptado de LNLS (2020).
Essa caixa foi desenvolvida para coletar até 5 l, porém, o sensor de nível deve ser ativado quando for atingido 50% do seu volume. Quando é alcançada a marca de 50 mm de altura, há um sensor ultrassônico de nível que irá ativar a válvula controladora do vácuo para a abertura da passagem do líquido, movimentando-o da caixa coletora até o reservatório.
Para o desenvolvimento da estação de vácuo, o conjunto foi baseado em sistemas de coleta já existentes. Há um tanque em que é realizado o vácuo, a bomba que gera o vácuo no reservatório, o sistema de controle, sensores de nível, de pressão e as válvulas de segurança, a figura abaixo exibe a estação de vácuo com os itens utilizados de forma detalhada.
Figura 20– Conjunto de coleta de condensado a vácuo 5 l
Fonte: adaptado de LNLS (2020).
O sistema foi projetado com um reservatório de 5 litros e uma bomba pneumática de vazão de 100 l/min, equivalente a 6.000 l/h. Ela gera uma pressão de vácuo de -84 kPa (SMC, 2020). A válvula esfera serve para permitir ou bloquear o escoamento de ar ou água, é uma válvula de três vias, uma via conectada a bomba de vácuo, a segunda via ao encanamento e a terceira a um suprimento de ar comprimido. Ao ser ativado o suprimento, ele injeta ar comprimido no reservatório, gerando pressão positiva no tanque e assim expeliria o condensado para a linha de esgoto.
O filtro regulador de pressão serve para reduzir a pressão do ar comprimido, a linha de ar comprimido já é oferecida no prédio a uma pressão de 7 bar, por ser uma pressão alta, o regulador diminuiria a pressão até 1-2 bar, apenas por segurança. As válvulas de retenção são utilizadas para impedir que o fluido retorne, no sentindo contrário ao fluxo, são controladas de forma pneumática pelos atuadores no bloco de válvulas.
O CLP (Controlador Lógico Programável) serve para controlar de forma automatizada todo o sistema. Os sensores de pressão e de nível são utilizados para prever a falha do conjunto, caso seja ultrapassado o nível ou a pressão máxima prevista no sistema. As suas dimensões são: 400mm de altura, 500mm de comprimento e 350mm largura.
O VSS funciona da seguinte forma, após a caixa coletora atingir cerca de 50% do seu volume, a válvula esfera é ativada para que a linha de vácuo seja aberta e todo o fluido evacuado até o tanque de coleta, quando o fluido atingir um aumento na pressão interna do tanque, medido
pelo sensor de pressão, a válvula de três vias é acionada novamente, abrindo a via do ar comprimido, para que seja injetado o ar no tanque, expulsando o condensado para o esgoto, quando o sensor de nível, localizado em 25% do volume do tanque, for ativado, a válvula é acionada novamente, abrindo a via da bomba, o ar comprimido é removido do tanque e é gerado o vácuo no reservatório, para que continue o ciclo de coleta.
O ciclo desse conjunto, foi pensado para funcionar com 20% do volume de água residual e 80% do volume de ar.
4.2. SISTEMA INTERNO PARA A LINHA DE LUZ
O conjunto de 20 litros foi projetado com o intuito de ser instalado em até três linhas de luz, esse conjunto possui maior dimensão e vazão do que o anterior, com 1700 mm de altura, 500 mm de largura e 500 mm de comprimento, já a vazão da bomba pneumática é 600 l/min, equivalente a 36000 l/h, e pressão de vácuo de -94 kPa (SMC, 2020), a maior parte do acréscimo na altura está relacionado com o tanque, pois é o componente que mais ocupa espaço no projeto. Ele foi pensado de forma semelhante ao sistema de uma cabine, como um conjunto com menor vazão e mais compacto, para que fosse instalado dentro do prédio. Seguindo a mesma premissa, há o tanque em que é realizado o vácuo, a bomba de vácuo pneumática, válvulas de retenção e o sistema de ar comprimido. Cada componente que foi considerado no projeto pode ser visualizado na figura 21.
Figura 21 – Componentes utilizados no VSS de 20 l
Fonte: adaptado de LNLS (2020).
Em relação ao conjunto anterior, o conjunto de 20 litros possui algumas diferenças: tem um sensor de nível a mais, são usadas três válvulas de esfera duas vias, não apenas uma válvula de três vias, pois a entrada do condensado no tanque, a entrada do ar comprimido e a conexão do tanque com a bomba, não são interligadas no mesmo ponto, também há um suporte de metalon para o VSS e uma base inércia. A caixa coletora desse sistema é a mesma do sistema para uma cabine.
O ciclo dele funciona da seguinte forma, o tanque encontra-se em vácuo gerado pela bomba com todas as válvulas fechadas, após a caixa de coleta ser preenchida até 50% do seu volume a válvula esfera conectada ao encanamento do condensado, é aberta e o condensado é impulsionado até o reservatório, logo após a válvula é fechada novamente.
O ciclo continua até o volume de 10 litros no tanque ser atingido, quando isso ocorre, a válvula duas vias conectada a linha de ar comprimido e a válvula no inferior do tanque, conectada ao ponto de descarte, são abertas e é injetado ar comprimido no tanque enquanto a água residual é expelida do reservatório até o dreno. Quando todo o condensado tiver sido removido essas duas válvulas são fechadas, a válvula conectada a bomba é aberta e é gerado o vácuo no tanque novamente.
Ele possui dois sensores de nível no tanque, um em 50% do volume e outro em 80% (redundância), pois caso ocorra a falha irá afetar um maior número de cabines. Se o segundo
sensor de nível for acionado, o sistema é desligado e o grupo responsável é informado para que seja realizado o concerto do VSS.
Figura 22 – Desenho técnico do conjunto de 20 L vista superior a) vista de corte A-A b) vista de corte B-B
a)
b) c) Fonte: LNLS (2020).
A figura 24 apresenta o desenho técnico do sistema com todas as medidas e distâncias detalhadas, todos os componentes adicionados ao desenho são retirados dos desenhos CAD reais dos equipamentos, tanto no sistema de 5 l como o de 20 l.
A estação de vácuo de 20 litros seria instalada na casa de máquinas, local citado no tópico 3.3, a sala possui isolamento acústico, caso a bomba pneumática venha a gerar ruído acústico excessivo.
Assim como o sistema anterior, esse também funciona com 20% do volume de água e 80% do volume de ar, ou seja, para cada 200 ml de água coletado será sugado 800 ml de ar do ambiente para o transporte.
4.3. SISTEMA AIRVAC
O conjunto da Airvac escolhido foi o tipo 30, essa opção abrange todas as linhas de luz, é um sistema mais robusto e com maiores dimensões. Ele é geralmente utilizado em sistemas para coleta em barcos, prédios e banheiros portáteis (RAGAZZO, 2020).
Esse VSS tem como características principais: redução de custo devido ao uso de tubulações menores, há a necessidade de apenas uma fonte de energia, por ser um sistema inteiramente fechado previne vazamentos e infiltração, e é um conjunto flexível, a estação de bombeamento pode ser substituída por qualquer outro modelo menor ou maior da Airvac em qualquer momento (RAGAZZO, 2020). A VSS pode ser visualizada na figura 23.
Figura 23– Airvac tipo 30
A bomba Airvac possui um conjunto semelhante aos projetados internamente, há bombas geradoras de vácuo pneumáticas, válvulas de retenção, painel CLP e medidor de pressão.
O sistema possui uma vazão de até 30 m3/h (30.000 l/h) e tem uma redundância nas bombas, isto é, há duas bombas de vácuo, para caso ocorra a falha em uma delas, o sistema continue bombeando os efluentes, é um conjunto planejado para altas vazões de águas residuais.
Na unidade coletora são instalados um controlador e a válvula de vácuo. A válvula de vácuo é do tipo pistão que possui grande durabilidade, a manutenção só é necessária a cada quinze anos, o fechamento da válvula impede que qualquer líquido retorne para a unidade coletora, como, em casos de perda de carga de percursos muito longos (RAGAZZO, 2020).
O controlador necessita de manutenção a cada dez anos, ele também permite o ajuste de tempo de abertura da válvula por uma alavanca e pode ser ativado a forçar um ciclo de abertura magneticamente (RAGAZZO, 2020).
Figura 24 – Unidade coletora Airvac
A figura 24 apresenta um dos modelos de caixa coletora usado pela Airvac, o ciclo irá funcionar com 20% do volume de água residual e 80% do volume de ar, a abertura de ventilação na caixa de coleta serve para sugar o ar do ambiente para o ciclo de vácuo, a válvula Airvac é usada para permitir ou bloquear o fluxo da caixa de coleta para a linha do encanamento que está em vácuo, a entrada por gravidade é conexão da máquina AVAC, com a unidade de coleta e a saída é a conexão da caixa, com o encanamento. A unidade coletora possui as seguintes dimensões: 254,0 mm de altura, 355,6 mm de largura e 431,8 mm de comprimento (RAGAZZO, 2020).
Na estação de vácuo uma bomba estará em operação e a outra em standby, como a vazão do sistema é baixa, em média 15 l/h por cabine, não é necessário um tanque. A bomba irá servir tanto para aspirar o condensado como para impulsionar o fluido para a rede de esgoto, ela tem um triturador na entrada do líquido, para o caso em que tenham partículas sólidas no condensado (RAGAZZO, 2020).
A central de vácuo é compacta e simples, caso seja solicitada a instalação de um tanque, a área de ocupação da VSS seria maior, a descarga do tanque teria que ser realizada ou com bombas de recalque, ou por gravidade. As bombas de vácuo devem ser desligadas no momento de descarga dos efluentes, em que é realizada a manobra de fechamento de válvula de entrada e abertura da válvula de saída do tanque, com isso, irá aumentar o número de válvulas instaladas no sistema, incrementando os elementos de operação e assim acrescentando possíveis pontos de falha e manutenção (RAGAZZO, 2020).
Figura 25 – VSS com tanque de coleta Airvac
A figura 25 apresenta um VSS com tanque, utilizado em coleta de esgoto de casas, ao comparar 23 e 25, pode-se observar que o sistema com tanque é muito maior do que o com apenas bombas.
4.4. SISTEMA EVAC
O conjunto Evac escolhido foi o modelo Bonito, assim como o da Airvac, também é um sistema robusto. Ele possui a capacidade de abranger todo o volume das águas residuais das linhas de luz. Nesse sistema a vazão é de 60 m3/h. A VSS Bonito pode ser observada na figura
26.
Figura 26 – Evac Bonito
Fonte: Evac (2020, p.3).
A unidade coletora do sistema Evac é um pouco diferente das outras caixas coletoras, ao invés de utilizar a mistura de ar e água, ela trabalha apenas com o condensado. Na entrada dos efluentes até o encanamento, é utilizado um conjunto mecânico e não um sistema de válvula acionada por comando de sensores. A caixa de coleta é apresentada na figura 27.
Figura 27 – Desenho da unidade coletora Evac (a) caixa coletora (b) unidade coletora instalada (c) (a) (b) (c) Fonte: Evac (2020, p. 6-7).
No processo de coleta inicialmente o diafragma está bloqueando a passagem do condensado, que fica armazenado no encanamento até que seja atingido o nível máximo de volume na entrada, assim que isso ocorrer, a força da água irá empurrar o diafragma até que toda a água passe para o encanamento da linha de vácuo e em seguida, para a central de vácuo (EVAC, 2020).
A central do vácuo do sistema bonito é composta por: um tanque de coleta de 115 litros de aço de carbono, revestido internamente por epóxi, uma bomba de vácuo de lóbulo rotativo
de pressão final de 0,4 kPa, conexão de entrada prontas para receber a rede de tubos PVC (85 mm de diâmetro), painel de controle, conexão de saída de 100 mm e a descarga é realizada por gravidade (EVAC, 2020). A bomba de vácuo é apresentada na figura 28.
Figura 28 – Bomba de vácuo Evac
Fonte: autora (2020).
A central funciona da seguinte forma: os efluentes são armazenados no tanque e o ar é removido do sistema pelas bombas de vácuo, criando a diferença de pressão negativa, conforme o reservatório é preenchido aumenta-se a sua pressão interna, os sensores irão enviar as informações de pressão do tanque ao CLP, definindo o regime de funcionamento da bomba. À medida que o efluente preenche o tanque, o volume de condensado irá aumentar até que o sensor de nível do tipo boia, seja acionado, enviando um sinal ao CLP para iniciar o processo de descarga do fluido, que será feito por gravidade (EVAC, 2020).
Tanto o conjunto Airvac como o Evac talvez precisem de um local preparado para recebê-los, pois o ruído e a vibração gerada são superiores aos sistemas desenvolvidos internamente e podem atrapalhar nos experimentos se alocados em locais inapropriados, já que algumas salas necessitam do controle de ruído.
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Todos os sistemas citados, apesar de possuírem a mesma finalidade, têm características diferentes, sendo necessário realizar uma comparação entre eles para decidir qual melhor se adequa as cabines do Sirius. Os pontos considerados variam desde a potência de cada grupo, até a tabela de custos de instalação. O comparativo é detalhado a seguir.
5.1. CAIXA COLETORA
Cada VSS é composto por 3 grupos, inicialmente será detalhada a caixa coletora. A tabela 6 apresenta um comparativo do sistema de coleta de cada conjunto.
Tabela 6 – Dados das caixas coletoras
Evac Airvac Interno 5 l Interno 20 l
Dimensões (l x w x h) 112 x Ø 50 mm (l x d) 596 x 356 x 432 mm 250 x 200 x 100 mm 250 x 200 x 100 mm Sensor de acionamento
Não Sim Sim Sim
Funcionamento da válvula
Mecânico Mecânico Pneumático Pneumático
Volume de armazenamento
~ 0,06 l 18,50 l 2,50 l 2,50 l
Material PVC Polietileno Aço inox Aço inox
Fonte: autora (2020).
Há algumas máquinas AVAC que são instaladas no teto das cabines, porém em outros casos as máquinas são alocadas no interior da cabine, nessas situações há a limitação de espaço, devido a quantidade de equipamentos existentes internamente. Na cabine óptica da linha de luz Ipê, a dimensão existente para a instalação da caixa coletora é de 550 x 450 x 270 mm, o local é apresentado na figura 31.
Figura 29 – Local a ser instalada a caixa coletora, máquina da linha Ipê
Fonte: autora (2020).
Em relação as dimensões, a caixa coletora da Airvac é grande e teria que ser instalada na parte externa da sala, as outras possuem dimensões apropriadas, a da Evac é a mais apropriada ao ambiente interno. Além de ser a com menor dimensão é a que irá gerar um menor ruído, pois as VSS’s que utilizam a mistura de ar e água irão gerar um ruído acima do aceitável dentro das cabines. Por exemplo, na linha de luz Carnaúba, há uma cabine em que o ruído máximo permissível é de 50 db (informação verbal)5, sendo que, as caixas coletoras que utilizam ar, podem gerar um ruído acima de 70 db.
O volume de armazenamento está diretamente ligado ao tamanho da caixa, o fato de a caixa poder ou não guardar um volume de condensado maior não influenciará no desempenho do sistema, pois a taxa de volume do efluente gerado é inferior a 7% da capacidade do sistema Airvac, logo, não há necessidade de uma caixa grande.
O material de cada caixa influenciará apenas na estética, o aço inox é o que tem melhor aparência ao ser comparado com os outros materiais.
Tabela 7 – Custo unitário da caixa coletora
Evac Airvac Interno 5 l Interno 20 l
Caixa coletora R$ 3.300,00 R$ 15.179,01 R$ 2000,00 R$ 2000,00 Fonte: autora (2020).
A caixa coletora da Airvac é quase cinco vezes mais cara que a da Evac, enquanto a diferença entre a caixa da Evac e dos sistemas internos é de 1.300,00 reais. Como pensou-se em instalar uma caixa para cada cabine, a da Airvac terá o custo muito superior ao estimado. O intuito inicial seria comprar aproximadamente 30 unidades, multiplicando os valores, o valor ficaria em R$ 455.370,3, logo, o custo do grupo das caixas coletoras seria superior ao da central de vácuo.
As caixas coletoras internas são as mais baratas, porém nunca foram utilizadas efetivamente. Seria necessária uma série de testes nelas antes da instalação.
Como o problema necessita de uma solução imediata, os sistemas internos se tornam um pouco mais demorados, devido ao tempo necessário para a realização de um estudo antes da instalação do conjunto.
5.2. CENTRAL DE VÁCUO
As centrais de vácuo possuem características bem diferentes, pois os sistemas comerciais são muito mais potentes do que os internos, já que foram fabricados para um alto volume de fluido. Cita-se o exemplo para casos de uso em shopping, em que o efluente gerado é em média de 14.000 l/h (BALASSIANO, 2018). Alguns dados das centrais de vácuo podem ser observados na tabela 8.
Tabela 8 – Dados das bombas
Evac Airvac Interno 5 l Interno 20 l Capacidade
nominal
60 m3/h 30 m3/h 6 m3/h 36 m3/h
Pressão -85 kpa - -84 kpa -91 kpa
Dimensões de cada bomba (l x w x h) 610 x 345 x 370 mm 572 x 212 x 350 mm ~ 214 x 33 x 67 mm ~ 250 x 40 x 132 mm Dimensões sistema completo (l x w x h) ~1710 x 1345 x 1870 mm 700 x 554 x 1164 mm 500 x 350 x 400 mm 500 x 500 x 1700 mm Nível de ruído 68 db 65 db - - Consumo de energia 1,7 kw 2,2 kw - -
Peso aproximado 85,00 kg - até 0,56 kg até 0,80 kg
Fonte: autora (2020).
Sendo a linha de luz que mais produz efluente, gera em torno de 90 l/h, nas condições atuais de trabalho, e no prédio são previstas, até o momento, 13 linhas de luz (LNLS, 2014),
multiplicando os valores obtêm-se 1.170 l/h de condensado, em todo o prédio. Portanto as centrais da Airvac e da Evac estão superdimensionadas.
Dos quatro tipos de VSS apenas o da Evac funciona com o transporte apenas de água, os outros três funcionam com a vazão de 80% de ar para 20% de água, ou seja, a vazão total seria de aproximadamente 6 m3/h.
Aparentemente todas as centrais teriam a capacidade para coletar todo o efluente do prédio, porém, nas bombas utilizadas nos sistemas internos não foram inseridas a perda de carga do encanamento e nem a porcentagem da capacidade nominal que seria útil. Nos projetos internos foi considerado que a bomba trabalharia apenas com 50% da sua vazão, ou seja, 3 m3/h
para o sistema de 5 litros e 18 m3/h para o sistema de 20 litros.
Considerando os dados informados, em relação a pressão ambiente a central que possui a maior vazão é a da Evac, porém é a que possui maior dimensão e maior geração de ruído, a central da Airvac é a que mais consumirá energia.
No caso das centrais comerciais, a instalação no local avaliado no tópico 3.3 pode ficar inviável, devido ao tamanho do produto e a vibração que será gerada. A vibração e o ruído dentro do prédio são estritamente controlados, já que qualquer oscilação em uma das variáveis pode perturbar os dados experimentais. Seria necessário a preparação de um local no exterior do prédio para a instalação do conjunto Airvac ou Evac.
As plantas de cada central podem ser visualizadas nas figuras 30, 31 e 32. A planta do sistema Airvac não foi enviada pela empresa.
Figura 30 – Planta da central de vácuo (5 l)
Fonte: adaptado de LNLS (2020).
Figura 31 – Planta da central de vácuo (20 l)
Figura 32 – Esquemático da central de vácuo
Fonte: adaptado de Evac (2020, p. 4).
Com as imagens acima, pode-se observar que os três sistemas têm a configuração semelhante, tanto na quantidade de válvulas, no posicionamento delas e na quantidade de sensores. Uma das diferenças é que, nos conjuntos do ILL, possuem maior quantidade de válvulas automatizadas, tornando o sistema mais complexo.
A seguir é apresentada a tabela 9 com os custos orçados, considerando a instalação de cada conjunto na linha de luz Cateretê, por ser a maior linha existente hoje, ela possui 5 cabines, portanto a quantidade de válvulas, bombas e reservatórios foram adequadas ao número de ambientes, levando em consideração a necessidade de cada VSS.
Tabela 9 – Custo orçado da VSS para a linha de luz Cateretê
Evac Airvac Interno 5 l Interno 20 l
Caixa coletora R$ 16.500,00 R$ 75.895,05 R$ 10.000,00 R$ 10.000,00 Central de vácuo R$ 247.000,00 R$ 305.822,27 R$ 88.233,90 R$ 29.469,35 Base inercial R$ 10.000,00 R$ 10.000,00 - - Consultoria e visitas técnicas R$ 18.000,00 Não orçado - - Startup do sistema R$ 6.000,00 Não orçado - -
Treinamento R$ 3.000,00 Não orçado - -
Total da VSS R$ 309.500,00 R$ 400.717,32 R$ 98.233,90 R$ 39.469,35 Fonte: autora (2020).
Em seguida na tabela 10 apresenta-se o custo estimado para a instalação dos sistemas.
Tabela 10 – Custo de instalação estimado
Evac Airvac Interno 5 l Interno 20 l
Montagem e Instalação R$ 5.000,00 R$ 5.000,00 R$ 10.000,00 R$ 2.000,00 Preparação de área R$ 10.000,00 R$ 10.000,00 - - Instalação elétrica R$ 10.000,00 R$ 10.000,00 - - Tubulação R$ 5.000,00 R$ 5.000,00 R$ 3.000,00 R$ 3.000,00 Instalação da tubulação R$ 15.000,00 R$ 15.000,00 R$ 3.000,00 R$ 3.000,00 Total R$ 45.000,00 R$ 45.000,00 R$ 16.000,00 R$ 8.000,00 Fonte: autora (2020).
Como já citado, as máquinas maiores precisam da preparação de um local no exterior do prédio, o que irá incluir a instalação elétrica.
Os sistemas comerciais possuem a garantia de funcionamento, as empresas são certificadas e possuem experiência no mercado, diferentemente dos desenvolvidos
internamente, que necessitam de investimento e tempo para que sejam feitas diversas análises comprovando o funcionamento do conjunto. Apenas o conjunto de 20 l foi testado dentro do prédio e funcionou corretamente.
O conjunto de 5 l não foi testado. Ao gerar a tabela de custos, observou-se que não era recomendável a instalação dele, já que, devido ao tamanho do tanque, seria necessária a instalação de uma central de vácuo por cabine, no caso apenas da linha Cateretê, já seriam cinco máquinas.
Por mais que o custo da central de vácuo dos sistemas comerciais seja elevado, a VSS serviria para todas as linhas de luz, entre os dois conjuntos, a Airvac possui o custo muito superior ao da Evac. Apesar da máquina da Evac possuir 3db a mais de ruído ainda está no limite aceitável, já que ambas se encontrariam fora do prédio, ou se alocadas dentro do prédio, seriam instaladas em um local com isolamento acústico. Ainda que a dimensão da central seja um pouco maior, a capacidade nominal é o dobro da máquina da Airvac e a caixa coletora do conjunto Evac é adequada para o espaço dentro das salas.
A central de 20 l também é uma ótima opção, já que a capacidade da bomba é seis vezes maior que o volume de ar mais água estimado para as 13 linhas, porém seria necessário realizar a troca do tanque que é apenas de 20 l.
5.3. DEFINIÇÃO DO MELHOR SISTEMA
Para a definição do melhor sistema foram gerados quadros com alguns prós e contras de cada conjunto.
Quadro 2 – Sistema 5 l
Prós Contras
Sistema compacto Localização – instalado sobre a cabana Sistema individual para cada cabine Possível geração de ruído
Bomba de vácuo de baixa manutenção Avaliação visual prejudicado Reaproveitamento da tubulação existente Tamanho do tanque de coleta Automação integrada ao AVAC Descarte em linha pressurizada Registro de produção de condensado Sistema não redundante
Tubulação de coleta com baixa pressão e pode estar afogada
Custo do sistema individual Consumo de ar comprimido apenas durante
ciclo de coleta e descarte
Sistema em fase de testes Sistema feito personalizado para as cabines
do prédio
Instalação de médio a longo prazo (acima de um ano)
