UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
VIRGINIO ZIIOTTO
AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DA ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA
BRUTA, NO MUNICÍPIO DE NOVA MUTUM - MT
Sinop - MT
2019/01
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
VIRGINIO ZIIOTTO
AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DA ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA
BRUTA, NO MUNICÍPIO DE NOVA MUTUM - MT
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof. Orientador: Cézar Cláudio Granetto.
Sinop - MT
2019/01
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Perda de Carga Localizada ... 22 Tabela 2 - Consumo per capta por habitantes. ... 11
II
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 - Hazen-Wiliams ... 15
Equação 2 - Potência útil ... 15
Equação 3 - Eficiência da Bomba ... 15
Equação 4 - Potência absorvida pela bomba ... 15
Equação 5 – Altura Geométrica ... 16
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Senso População Nova Mutum ... 8
Figura 2 - Esquema Estação Elevatória ... 12
Figura 3 - Esquema de estação elevatória típica. ... 12
Figura 4 - Trajetória do fluxo de líquido dentro de uma bomba centrífuga. ... 13
IV
LISTA DE ABREVIATURAS
ETA – Estação de Tratamento de Água; Km – Quilômetro;
MT – Mato Grosso;
ONU – Organização das Nações Unidas; PP – Projeto de pesquisa;
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Avaliação da Eficiência da uma Estação Elevatória de Água Bruta, no Município de Nova Mutum – MT.
2. Tema: Tratamento de Água.
3. Delimitação do Tema: 30702003 – Tratamento de Águas de Abastecimento e Residuárias.
4. Proponente: Virginio Ziliotto.
5. Orientador: Prof. Cézar Cláudio Granetto.
6. Estabelecimento de Ensino: UNEMAT – Universidade do Estado de Mato Grosso.
7. Público Alvo: Comunidade Acadêmica, Comunidade Local, Pesquisadores e Profissionais da área de Engenharia.
8. Localização: Jardim Europa, Nova Mutum, CEP: 78450-000. 9. Duração: 4 meses.
VI
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ... I LISTA DE EQUAÇÕES ... II LISTA DE FIGURAS ... III LISTA DE ABREVIATURAS ... IV DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... V 1 INTRODUÇÃO ... 7 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 8 3 JUSTIFICATIVA... 9 4 OBJETIVOS ... 10 4.1 OBJETIVO GERAL ... 10 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 10 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 11 5.1 HIDRÁULICA ... 11
5.2 ESTAÇÃO ELEVATÓRIA OU BOMBAMENTO ... 11
5.2.1 Sistema Elevatório Típico ... 12
5.2.2 Bombas ... 12 5.2.2.1 Bombas Centrífugas ... 13 5.2.3 Conduto de escoamento ... 14 5.2.3.1 Conduto livre ... 14 5.2.3.2 Conduto forçado ... 14 5.3 PERDA DE CARGA ... 14 5.4 EFICIÊNCIA DE BOMBAS ... 15 5.5 MANANCIAIS ... 16 5.5.1 Superficial ... 16 5.5.2 Subterrâneo ... 16 6 METODOLOGIA ... 18 6.1 ÁREA DE ESTUDO... 18 6.2 DIMENSIONAMENTO ... 18
6.3 DADOS DO SISTEMA INSTALADO ... 19
6.4 COMPARATIVO ... 19
7 CRONOGRAMA ... 20
8 REFERÊNCIAS... 21
1 INTRODUÇÃO
Sistemas de abastecimento tem como objetivo suprir as necessidades básicas para sobrevivência do ser humano, seja esse suprimento utilizado para consumo direto ou para a produção de alimentos e produtos de utilidade diária (ALMEIDA, 2010).
Dados da Organização das Nações Unidas (ONU) afirmam que entre 1970 e 2000, a quantidade disponível de água per capta por ano caiu em 43% no mundo. E ela também projeta que para os próximos 30 anos, essa disponibilidade será de apenas 20% da atual capacidade, explicando que a drástica redução, é forçada pelos ritmos de crescimento populacional e uso do recurso hídrico (NASCIMENTO, 2007).
Revisões ou análises dos sistemas de abastecimento em uso, podem proporcionar diminuição de desperdícios. Em sistemas de estações elevatórias, a eficiência do conjunto motobomba pode trazer a otimização do uso, e racionar de melhor forma a água distribuída.
Neste contexto, o sistema elevatório do bairro Jardim Europa em Nova Mutum, o qual já é um bairro com grande parte da ocupação total atingida, diminuindo a variabilidade ao longo do tempo, pode demonstrar melhor o quanto a eficiência da bomba altera nos dados gerais.
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2 PROBLEMATIZAÇÃO
As altas demandas de água e energia elétrica, somados a falta de controle e cuidado com a distribuição das mesmas, trouxeram à tona para sociedade, questões como uso racional e eficiência dos equipamentos utilizados por nós no dia a dia. Há ainda, o custo e a forma como são distribuídas ou produzidas.
Como percebesse a água é um bem muito precioso para que os sistemas da sociedade fluam e mantenham o nosso atual estilo de vida. Assim, uma melhor eficiência nos sistemas de abastecimento reduziria a perda de água e o desperdício de uso de energia sem demanda. A ineficiência do controle deste bem, pode trazer consequências no abastecimento e qualidade de vida da população.
Desta maneira, considerando o crescimento populacional apresentado na figura 1 mostrada abaixo, e o anseio de não deixar a população sem o dado recurso, a gestão dos recursos hídricos, por vezes, fica em segundo plano, abrindo possibilidade para incorretos dimensionamentos de sistemas.
Figura 1 - Senso População Nova Mutum Fonte: IBGE, 2019.
3 JUSTIFICATIVA
Correspondendo estações elevatórias de água ao sistema de transporte de água e grande consumidor de energia, devido a normalmente apresentar grandes conjuntos motobombas, o correto dimensionamento deste equipamento, resultará em um aumento de rendimento, fazendo o mesmo trabalho com menos esforço, minimizando consumos de energia e consequentemente os impactos ambientais por este gerados.
Caso em excessivo, o superdimensionamento desperdiça energia elétrica, possivelmente volumes de água desnecessários para tratamento, acarretando em custos que são repassados aos consumidores.
Portanto, considerando este contexto, estudos que visem avaliar os sistemas já estabelecidos constituem em importante iniciativa.
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4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
Analisar o sistema de bombeamento de água bruta da ETA do município de Nova Mutum-MT, quanto à sua eficiência.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para que realizemos então, o objetivo geral, tem-se com específicos, os seguintes objetivos:
• Verificação da vazão do sistema de bombeamento existente na ETA de Nova Mutum-MT;
• Dimensionar o conjunto motobomba, considerando a perdas de carga e dados existentes no sistema;
• Analisar os resultados obtidos através do dimensionamento com as informações do sistema atual (implantado).
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
5.1 HIDRÁULICA
A Hidráulica esteve presente ao longo de praticamente toda a história da humanidade, em função da indispensabilidade da água para vida humana. Por certo, tendo em vista que a água se distribui de forma irregular, no tempo e no espaço, torna-se necessário o torna-seu transporte dos locais onde há disponibilidade até os locais onde é necessária (BAPTISTA & LARA, 2010).
Brasil (2013), destaca que apenas no século XIX é que a hidráulica teve um progresso rápido e acentuado em consequência do emprego de novas máquinas hidráulicas, com o desenvolvimento da produção de tubos de ferro fundido, capazes de resistir a pressões internas relativamente elevadas, com o crescimento das cidades e importância cada vez maior dos serviços de abastecimento de água.
A tabela 2, mostra um consumo médio populacional, de acordo a população.
Tabela 1 - Consumo per capta por habitantes.
Fonte:Guimarães, Carvalho, & Silva, (2007)
5.2 ESTAÇÃO ELEVATÓRIA OU BOMBAMENTO
De acordo com Almeida (2010, p.5), as estações elevatórias são infraestruturas dos sistemas de abastecimento de água, que contêm um conjunto de dispositivos responsáveis por fazer chegar água aos pontos do sistema localizados a cotas mais elevadas. A figura 2 mostra o esquema completo de um sistema de abastecimento com estação elevatória.
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Figura 2 - Esquema Estação Elevatória. Fonte: Tsutiya (2006).
5.2.1 Sistema Elevatório Típico
Segundo Baptista (2010) embora possam ter diversos formatos, as elevatórias apresentam costumeiramente, um sistema como o do esquema representado pela figura 3:
Figura 3 - Esquema de estação elevatória típica. Fonte: Baptista (2010).
5.2.2 Bombas
Bombas são equipamentos capazes de efetuar o escoamento de um fluido, transformando a energia recebida para seu funcionamento, em trabalho mecânico, que então se transfere para líquido em forma de pressão e cinética. (BRASIL, 2013).
Chadwick & Morfett (1998 p. 235) ainda afirmam que, bombas são máquinas que transformam uma entrada de energia eletríca em uma saída de energia hidráulica.
Para Azevedo Netto (2015 p. 571), bombas poderão ser instaladas em cota inferior ou superior à do nível do líquido a ser bombeado. Para o primeiro caso, a bomba ficará afogada, recomendando-se a instalção de válvulas com a função de bloqueio das canalizações de admissão. No segundo caso, é indispensavel a instalação de dispositivos que auxiliem na sucção, propriamente dita, como válvulas de pé ou dispositivos de escorva.
Existem vários tipos de bombas, devido a esta variedade, algumas são mais indicas que outras para determinados serviços ou ações. Para o sistema de abastecimento de água, são utílizadas as bombas centrífugas mistas ou axiais, que são os tipos mais comuns de turbo bombas (MONACHESI, 2005).
5.2.2.1 Bombas Centrífugas
Também conhecida como bomba de escoamento radial, nelas, o líquido é encaminhado para o centro do rotor, entra em movimento de rotação e é forçado para as margens do rotor pela ação da força centrífuga; a seguir, percorre o contorno da carcaça onde parte dessa energia de velocidade é transformada em energia de pressão, e é lançado para fora da bomba pelo bocal (LIMA, 2003).
O esquema representado pela figura 4 detalha o interior de um modelo de bomba centrífuga.
Figura 4 - Trajetória do fluxo de líquido dentro de uma bomba centrífuga. Fonte: Ganghis (2016).
Em certas bombas, colocam-se palhetas devidamente orientadas, as pás guias, para que o líquido seja conduzido com um mínimo de perdas por atrito ou turbulência, aproveitando mais da energia cinética que se transformou em energia potencial de pressão (BRASIL, 2013).
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5.2.3 Conduto de escoamento
Condutos são classificados de acordo com a pressão nele exercida, esta faz com que o escoamento seja livre ou forçado
5.2.3.1 Conduto livre
Segundo Chadwick & Morfett (1998) o canal aberto é caracterizado pela existência de um superfície livre e então sujeita somente a pressão atmosférica, perseptivel pela figura 5. O perfil longitudinal da superfície livre define o gradiente hidráulico.
Figura 5 - Exemplo de conduto livre. Fonte: Netto (2015).
5.2.3.2 Conduto forçado
Designa-se forçado para o conduto no qual o líquido escoa sob pressão diferente a atmosférica. Assim, as tubulações, encontra-se sempre totalmente cheia o conduto fechado. Com isto o perímetro molhado coincide com todo o perímetro do tubo (AZEVEDO NETTO, 2015).
E assim Baptista & Lara (2010) colocam esta, como a opção de condutos para as tubulações de reclaque e sucção de bombas, e para uso nas redes de abastecimento de água.
5.3 PERDA DE CARGA
Sistemas hidráulicos apresentam perdas de carga, que devem ser levadas em conta para um correto dimensionamento. Estas são divididas em contínuas, que se dá ao atrito do fluído com as paredes do conduto em linha reta, ou localizadas, que é
identificada nos acessórios utilizados (curvas, registros, etc) aumentando a turbulência e alterando a velocidade (PORTO, 2006)
Para as perdas localizadas existem tabelas, como a da tabela 1 em anexo, demonstrando o quanto essa peça corresponde em comprimento linear. Formulações como a apresentada por Hazen-Wiliams calculam então a chamada perda de carga total, e é descrita como a equação 1 nos mostra:
ℎ𝑓 = 10,643 ∗ ( 𝑄 1,852∗ 𝐿 𝐶1,825∗ 𝐷4,87) Onde: hf = perda de carga (m/m); Q = Vazão (m³/s);
C = Coeficiente de rugosidade do material; L = Comprimento virtual da tubulação(m); D = Diâmetro da tubulação (m).
5.4 EFICIÊNCIA DE BOMBAS
Azevedo Netto (2015) nos diz o conjunto motobomba da elevatória deve ser capaz de conduzir o fluído vencendo as perdas de cargas e a diferença de nível entre os pontos. Calcula-se a potência necessaria de um sistema através das equações mostradas a seguir: 𝑃𝑢 = 𝛾 ∗ 𝑄 ∗ 𝐻𝑚𝑎𝑛 75 𝜂 = 𝑃𝑢 𝑃𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑃 =𝛾 ∗ 𝑄 ∗ 𝐻𝑚𝑎𝑛 75 ∗ 𝜂 Onde: Pu = Potência útil (cv);
𝑃𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 = Potência de fabricação da bomba (cv);
Equação 1 - Hazen-Wiliams
Equação 2 - Potência útil
Equação 3 - Eficiência da Bomba
Equação 4 - Potência absorvida pela bomba
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P = Potência (cv);
𝛾 = Peso específico do líquido a ser elevado (kgf/m³); Q = Vazão (m³);
𝐻𝑚𝑎𝑛 = altura manométrica total (m); η = Rendimento do conjunto.
Ainda conforme orienta Azevedo Netto (2015) a altura manométrica total provem das equações 5 e 6, que são derivações da equação de teorema de Bernoulli, dadas a seguir: 𝐻𝑔 = 𝐻𝑠 + 𝐻𝑟 𝐻𝑚𝑎𝑛 = 𝐻𝑔 + ℎ𝑓 𝐻𝑔: altura geométrica (m); 𝐻𝑠: altura de sucção (m); 𝐻𝑟: altura de recalque (m); ℎ𝑓: perdas de cargas totais (m); 𝐻𝑚𝑎𝑛: altura manométrica total (m).
5.5 MANANCIAIS
5.5.1 Superficial
Seguindo Tsutiya (2006), manancial superficial é o suprimento de água geralmente constituído pelos rios, lagos, córregos e represas.
5.5.2 Subterrâneo
Esta técnica, de retirar água do subsolo, já era usada pelos egípcios e pelos chineses a mais de 2000 anos antes de Cristo. Esse tipo de manancial, diferencia-se do anterior por necessitar que seja perfurado um poço para que a água possa ser retirada, visto que se trata de captação de água advinda do subsolo (GUIMARÃES, CARVALHO E SILVA. 2007).
Os impactos ambientais negativos de uma captação por poço profundo estarão restritos às alterações de uma pequena área para execução da obra, estocagem de
Equação 5
tubos, instalação de quadros e casa de comando elétrico, além de caminhos de acesso para serviço (MONACHESI, 2005).
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6 METODOLOGIA
6.1 ÁREA DE ESTUDO
Nova Mutum, em pleno desenvolvimento, está localizada a 242 Km da capital Cuiabá, tem população estimada em 43.919 habitantes e crescimento anual de 4% em média. (IBGE, 2019)
Nova Mutum está localizada em cota superior à dos rios próximos, fazendo com que a opção de captação de água para abastecimento da população seja subterrânea, explorando o lençol freático através de poços profundos.
O método á ser executado para a análise da eficiência de estação elevatória, terá como localidade o bairro Jardim Europa, este escolhido por ter a maioria de ocupação dos lotes, dando mais precisão na estimação da população.
6.2 DIMENSIONAMENTO
Para cumprir o objetivo inicia-se o cálculo de dimensionamento pela formulação recomendada de Hazen-Williams (equação 1), determinara-se então as perdas de carga localizadas e contínuas tendo feito a listagem in loco dos diâmetros da tubulação, quantidade e tipos de peças utilizadas, além do cumprimento respectivo das tubulações de recalque e sucção.
A altura manométrica (𝐻𝑚𝑎𝑛), determinada pelas equações 5 e 6 serão medidas pela verificação das alturas geométricas de sucção e recalque da dada estação em relação ao abastecimento. Com isso chegaremos as perdas de cargas totais (ℎ𝑓).
Na determinação de potência de bomba, equação 4, o peso específico do fluído entra em questão, e no caso deste projeto de pesquisa é água, que em conformidade com Azevedo Netto (2015) tem este dado com valor de 9,81kN/m³.
A vazão de demanda é determinada pelo produto entre a quantidade prevista de habitantes do bairro, e o consumo médio de litros d’água por pessoa/dia (L/hab/dia), quem tem determinação pela tabela 2.
Dispondo de tais valores, será calculada então potência necessária para funcionamento do sistema, em relação a demanda prevista para esta estação.
6.3 DADOS DO SISTEMA INSTALADO
Ainda se precisa dos valores de rendimento do conjunto (η), este se extrai de tabela fornecida pelo fabricante da bomba instalada no sistema.
Serão retirados também in loco, os atuais dados de potência do sistema de bombeamento em funcionamento.
6.4 COMPARATIVO
Com os dados levantados em mãos, será efetuado o comparativo entre as potências estimada e reais. Com isso é possível dizer quanto a existência de superdimensionamento ou não do sistema.
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7 CRONOGRAMA
Distribuição das tarefas previstas na execução da pesquisa. O cronograma mostra a previsão de tarefas futuras a partir da aprovação do PP. A sequência de tarefas segue conforme a metodologia adotada e vai estabelecendo datas-limites para coleta de dados, análise, redação e conclusão do trabalho.
ATIVIDADES
2019
AGO SET OUT NOV Encontros com o orientador Revisão bibliográfica complementar Coleta de dados Redação do TCC-II Revisão e entrega oficial do artigo Apresentação do artigo em banca
8 REFERÊNCIAS
ALMEIDA, P. L. C. Estação elevatória. Minimização do custo de energia respeitndo os critérios de qualidade da água. Dissertação Mestrado - Universidade do Porto - Porto, Portugal. 2010.
AZEVEDO NETTO, J. M. Manual de Hidráulica. 9ª ed. Edgard Blücher Ltda. São Paulo.2015.
BAPTISTA, M. B. & LARA, M. Fundamentos da Engenharia Hidráulica. Editora UFMG. Belo Horizonte. 2010.
BRASIL, A. N. Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo. Ítauna, Brasil. 2013.
CHADWICK, A., & MORFETT, J. Hidráulica em Engenharia Civil e Ambiental. INSTITUTO PIAGET. Lisboa. 1998.
GANGHIS, D. Bombas industriais. 2016. Disponível em:
<http://principo.org/bombas-industxriais.html>. Acesso em 7 de maio de 2019.
GUIMARÃES , A. J., CARVALHO, F. D., & SILVA, L. D. Saneamento e meio ambiente. Depatamento de Engenharia Civil - UFRJ. 2007.
IBGE. Nova Mutum - Panorama. Disponível em:
<https://cidades.ibge.gov.br/brasil/mt/nova-mutum/panorama>. Acesso em 24 de maio de 2019.
LIMA, E. P. Mecânica das Bombas. Interciência. Rio de Janeiro.2003.
MONACHESI, M. G. Eficiência energética em sistemas de bombeamento. Eletrobrás. Rio de Janeiro. 2005.
NASCIMENTO, K. (2007). Água, bem finito e cada vez mais valioso. Brasil Sempre. Fonte: http://www.fbds.org.br/fbds/IMG/pdf/doc-255.pdf
PORTO, R. M. Hidráulica Básica. São Carlos: EESC-USP. 2006.
SCHAEFER, P. R. Nova Mutum - História e Fundação. 2ª ed. Nova Mutum. 2019.
SOUSA, R. (29 de Abril de 2019). www.mundoeducacao.bol.uol.com.br. Fonte: Mundo Educação: https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/geografia/matriz-energetica-brasileira.htm
TSUTIYA, M. T. Abastecimento de Água. 3ª ed. Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 2006.
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9 ANEXOS
Tabela 2 - Perda de Carga Localizada Fonte: Netto (2015)
