Elevatórias de Esgoto Sanitário: Funcionamento e Considerações

Elevatórias de Esgoto Sanitário ESTU035 SISTEMAS DE ESGOTAMENTO SANITÁRIO PROFESSOR Rodrigo de Freitas Bueno rodrigobuenoufabcedubr Elevatórias de Esgoto Sanitário São instalações destinadas a transferir os esgotos de um ponto de cota normalmente mais baixa a outro de cota normalmente mais elevada em diversas partes do SES na fase de coleta na fase de transporte no processo de tratamento de esgoto na disposição final Utilizadas sempre que não for possível ou viável por razões técnicas e econômicas o escoamento dos esgotos por gravidade Necessidade de EEE As elevatórias justificamse em princípio nos seguintes casos terrenos planos e extensos evitandose que as canalizações atinjam profundidades excessivas áreas novas situadas em cotas inferiores às existentes reversão de esgotos de uma bacia para outra descarga de interceptores ou emissários em ETE ou corpos receptores quando não for possível fazer por gravidade É indispensável o prévio estudo comparativo entre os custos decorrentes da instalação de uma elevatória e o custo devido ao esgotamento por gravidade se possível Evitar sempre que possível mas utilizar sem medo Vazões de Projeto Devem ser consideradas para o projeto das elevatórias Vazão média no início do plano Dimensões máximas do poço de sucção Tempo de detenção do esgoto Vazão máxima no fim do plano Seleção dos equipamentos de bombeamento e linha de recalque Dimensões mínimas do poço de sucção Período de projeto normalmente adotado 2025 anos para equipamentos considerar etapas de implantação 50 anos para tubulações e edificações Estações Elevatórias de Esgoto Adução por Bombas centrífugas Bombas parafuso Ejetores pneumáticos Bombas Parafuso As bombas parafuso são provavelmente o tipo mais antigo de bombas existente O seu funcionamento é baseado no princípio do parafuso de Arquimedes no qual um eixo rotativo acoplado a uma duas ou três lâminas helicoidais girando num plano inclinado eleva o esgoto Bombas Parafuso Bombas Parafuso Podem ser instaladas com ângulo de inclinação desde 22º até 40º Uma bomba instalada com ângulo de 22º bombeará mais do que uma instalada a um ângulo de 38º entretanto ocupará maior espaço A altura de elevação para uma bomba parafuso é limitada a cerca de 9 m sendo este limite imposto pelos requisitos estruturais do parafuso Além disso para alturas maiores a eficiência diminui sensivelmente em virtude do crescente retorno de água ao longo das pequenas folgas existentes entre o corpo da bomba as paredes e o fundo do canal em que o mesmo se encontra instalado Quanto ao rendimento podese esperar um valor de 60 a 65 para bomba de pequeno porte e de até 75 para bombas maiores As bombas são normalmente acionadas por motores elétricos de indução trifásicos e redutores de velocidade de maneira a serem obtidas rotações apropriadas nos parafusos em tomo de 30 a 50 rpm Ejetores Pneumáticos Ejetores pneumáticos são utilizados nos locais onde a vazão inicial é pequena e a vazão final de projeto não exceda a capacidade do ejetor Ejetoress Pneumáticos BOMBAS UTILIZADAS EM ELEVATÓRIAS DE ESGOTO Bombas Centrífugas São caracterizadas por possuírem um elemento rotativo dotado de pá rotor que fornece ao líquido o trabalho mecânico para vencer o desnível necessário A bomba centrífuga é composta fundamentalmente de duas partes o rotor e a carcaça As pás do rotor impulsionam o líquido em direção à carcaça proporcionandolhe um acréscimo de pressão e velocidade A carcaça que na maioria das vezes tem a forma de espiral possui entre outras funções a de receber o líquido que sai do rotor transformando parte de sua energia cinética em energia potencial de pressão Os rotores podem ser do tipo aberto semiaberto e fechado BOMBAS UTILIZADAS EM ELEVATÓRIAS DE ESGOTO Corte esquemático de uma bomba centrífuga Tipos de rotor a aberto b semiaberto e fechado BOMBAS UTILIZADAS EM ELEVATÓRIAS DE ESGOTO bombas centrífugas Classificação das bombas centrífugas As bombas centrífugas classificamse segundo a trajetória do líquido no rotor em função da rotação específica e de acordo com a disposição do conjunto motor bomba Classificação segundo a trajetória do líquido no rotor Classificação das bombas centrífugas Classificação das bombas centrífugas Bombas de fluxo radial São aquelas em que o formato do rotor impõe um escoamento do líquido preponderantemente no sentido centrífugo radial Os rotores desses tipos de bombas podem ser de sucção simples ou de sucção dupla embora este último tipo não seja recomendável para esgotos sanitários devido às facilidades de obstruções pelos materiais encontrados nos esgotos As bombas de fluxo radial são empregadas onde se exigem grande altura de elevação e vazão relativamente pequena Classificação das bombas centrífugas Bombas de fluxo misto São aquelas onde o rotor impõe um escoamento simultâneo nos sentidos axial e radial São empregadas para os casos em que a altura de elevação seja relativamente baixa e a vazão elevada Classificação das bombas centrífugas Bomba de fluxo axial São aquelas em que o formato do rotor impõe um escoamento no sentido axial Esse tipo de bomba é empregado para recalcar grandes vazões e pequena altura de elevação Classificação das bombas centrífugas Classificação em função da rotação especifica Nc Fisicamente a rotação específica caracteriza a rotação em rpm de uma bomba de uma dada geometria que produz vazão unitária 1 m3s contra uma altura unitária 1 m nas condições de máximo rendimento e é dada pela fórmula Classificação das bombas centrífugas Classificação de acordo com a disposição do conjunto motorbomba De acordo com essa classificação temse Conjunto de eixo horizontal Conjunto de eixo vertical bombas não submersas e bombas submersas Conjunto motorbomba submerso a Conjunto de eixo horizontal Os conjuntos de eixo horizontal são normalmente utilizados devido às facilidades de instalação operação e manutenção Tradicionalmente a bomba funciona afogada dispensando escorvamento mas correndo o risco de inundações Atualmente existem bombas centrífugas auto escorvantes permitindo a sua instalação acima do nível de água do poço de sucção sem necessidade de escorvamento Classificação das bombas centrífugas b Conjunto de eixo vertical Bombas não submersas permitem que as bombas trabalhem afogadas enquanto os motores acoplados a elas por meio de eixos prolongados são instalados em nível superior ficando protegidos de eventuais inundações Devido à utilização de eixos de acoplamento à medida que eles se tornam muito longos maiores que 3 m há necessidade de se tomarem precauções cada vez maiores onerando os custos Neste caso também os motores podem ser acoplados diretamente na bomba não havendo eixo de prolongamento e a instalação do conjunto motorbomba é análoga ao do conjunto de eixo horizontal Bombas submersas a bomba fica totalmente mergulhada no líquido e o motor instalado em local seguro livre de inundações A utilização dessas bombas reduz consideravelmente as dimensões da elevatória entretanto possui desvantagens quanto à inspeção e manutenção da bomba devido às dificuldades de acesso Classificação das bombas centrífugas c Conjunto motorbomba submerso Nos conjuntos motorbomba submersos a bomba e o motor integram um conjunto que opera inteiramente imerso no líquido a ser bombeado São acoplados entresi e protegidos por uma carcaça capaz de assegurar absoluta estanqueidade ao motor Preso a um eixoguia vertical pode ser movimentado para cima e para baixo por meio de uma corrente de suspensão O acoplamento da saída da bomba com à canalização de recalque se faz com justa posição de flanges sendo a vedação feita pelo próprio peso do conjunto eliminandose o uso de porcas e parafusos A sua retirada pode ser manual ou através de uma talha dependendo do peso do conjunto submerso Além das vantagens mencionadas os conjuntos submersos possuem dimensões reduzidas seus componentes são padronizados e permitem passagem dos sólidos carregados pelo esgoto mas a sua aplicação é limitada pela sua capacidade Recomendações para o recalque de esgotos com bombas centrífugas Devido aos sólidos em suspensão e vazões variáveis Rotores abertos Bombas afogadassubmersas ou auto escorvantes sem válvula de pé eixo horizontal afogadas ou auto escorvantes eixo vertical afogadas poço seco ou submersas automatização partidas e paradas frequentes Elevatórias convencionais de poço seco Elevatória convencional de poço seco conjunto vertical Exemplo com poço seco e eixo vertical Exemplo com bomba auto escorvante Exemplo com bomba auto escorvante Elevatórias Convencionais de Poço Úmido Poços de sucção com bombas submersíveis Poços de sucção com bombas submersíveis Elevatória convencional de poço úmido conjunto motorbomba submerso Elevatória convencional de poço úmido conjunto motorbomba submerso Elevatória convencional de poço úmido conjunto motorbomba submerso Elevatória convencional de poço úmido conjunto motorbomba submerso Elevatória circular Planta Conjunto motorbomba submersível Seleção dos Conjuntos MotorBomba Tubulações de Sucção e Recalque Limites de velocidades normalmente considerados sucção 060 a 150 ms um diâmetro comercial imediatamente superior ao diâmetro de recalque barrilete 060 a 300 ms usar peças metálicas recalque 060 a 300 ms mínimo 100 mm Como nas adutoras o dimensionamento é feito em conjunto com o bombeamento o diâmetro de recalque é hidraulicamente indeterminado devese considerar a condição de mínimo custo aquisição e assentamento dos tubos e peças motorbomba operação manutenção e consumo de energia amortização e juros Proteção contra transientes Respiros pontos altos e descargas de fundo pontos baixos Dispositivo para Remoção de Ar pontos altos Descargas de fundo pontos baixos As descargas de fundo devem garantir o total esgotamento da linha de recalque Devem ser executadas em caixa de material totalmente estanque normalmente concreto com rebaixo para posicionamento de tubulação de sucção O esgoto retirado pela descarga de fundo deve ser totalmente recolhido por um caminhão do tipo limpafossa para posterior lançamento na ETE Materiais nas tubulações de recalque Localização das Elevatórias Aspectos a serem considerados terreno dimensões custo desapropriação vizinhança topografia tipo de solo nível do lençol freático rochas etc estabilidade do terreno taludes naturais e construídos etc disponibilidade de energia elétrica facilidade de acesso desnível geométrico influências das condições ambientais alagamento erosão etc padronizações consultar companhias de saneamento etc Exemplo de uma EEE Padrão Sabesp Dimensionamento do poço de sucção Evitar vórtices manter submergencia mínima na sucção Espaço com folga para posicionamento de bombas tubulações etc O volume deve ser o menor possível para não resultar tempo elevado de detenção do esgoto TDH 30 min vazão média no início de plano ou etapa função do volume efetivo entre o fundo do poço e o nível médio de operação Quanto menor o volume mais frequentes são as partidas e paradas das bombas vazão máxima no final de plano ou etapa deve ser respeitado um tempo de ciclo mínimo evitar superaquecimento dos motores função do volume útil Devese dimensionar o volume útil entre Namin e Namax para operação normal das bombas Dimensionamento do poço de sucção Bombas Rotação Constante Rotação Variável com inversor de frequência Poço de sucção Volume útil Vu Entre Nmine Nmáx Volume Efetivo Ve Entre Nfundo e Nméd Dimensionamento do poço de sucção Algumas configurações de poço de sucção Com duas bombas de rotação constante Com duas bombas de rotação constante Operação com três bombas de rotação constante Sulfetos em Poço de Sucção das EEE Cone antivórtice para EEE Retenção de Sólidos Afluentes à EEE Objetivo proteção dos conjuntos motorbomba e tratamento preliminar dos esgotos Dispositivos ou equipamentos para remoção dos sólidos grade de barras limpeza manual ou mecânica cesto triturador peneira Soluções de emergência na EEE gerador de emergência tanque pulmão consultar órgãos ambientais para tempos de detenção Normalmente TDH 2 h extravasor por gravidade consultar órgãos ambientais Cesto para Elevatória de Esgoto Cesto para Elevatória de Esgoto Cesto em Poço Circular com Bomba Submersível Poço com Cesto e Bomba Submersível Grade Mecanizada Exemplo de Grade Mecanizada Variedade de Tipos A grade mecânica de barras Esmil compreende uma grade fixa e um mecanismo de arraste Grades deste tipo que permitem remoção de sólidos da superfície da água são disponíveis para larguras de canal de 08 a 5 m e profundidades de 06 a 15 m O mecanismo de arraste é determinado pelas dimensões do canal e natureza dos sólidos a remover Aços de Alta Liga A grade mecânica de barras Esmil é fabricada com aços de alta liga que asseguram longa vida útil A grade é fabricada opcionalmente em aço inoxidável galvanizado por submersão a quente As partes móveis podem também ser fornecidas em aço inoxidável A grade mecânica de barras pode ser utilizada em Entradas de água de resfriamento Estações de bombeamento Instalações de tratamento de esgotos Calha Parshall e Caixa de Areia Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Vazão de Dimensionamento Ano Vazões Ls Média Máxima Início do plano 2018 9618 13644 1ª Etapa 2028 16385 24316 2ª Etapa 2038 21568 31676 Etapas de implantação da elevatória A construção civil da elevatória para atender todo o horizonte de projeto será executada no início do plano Os conjuntos motorbomba serão instalados por etapas sendo que inicialmente serão instalados 3 conjuntos motorbomba para atender até a 1ª etapa sendo 2 conjuntos funcionando normalmente e 1 conjunto de reserva A partir de 2028 será instalado o 4ª conjunto motor bomba Também neste caso 1 conjunto será de reserva Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Desnível geométrico Cota do NAmáx 76407 m Cota do NAmin 76307 m Cota de lançamento 77349 m Altura geométrica máxima 1042 m mínima 942 m Esquema do sistema de bombeamento Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento LINHA DE RECALQUE Etapa de implantação A linha de recalque da estação elevatória será implantada no início do plano Escolha do diâmetro Para a escolha do diâmetro da linha de recalque a NB 569 de 1989 recomenda os seguintes limites de velocidades Mínima 060 ms Máxima 30 ms Entretanto deve ser elaborado um estudo do diâmetro econômico conforme discutido em sala de aula Admitindose que pelo estudo do diâmetro econômico resulta o diâmetro de 500 mm este será adotado neste dimensionamento A linha de recalque será de ferro fundido dúctil classe K7 ponta e bolsa junta elástica e revestido internamente com argamassa de cimento Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Seleção do conjunto motor bomba Cálculo das perdas de carga Perdas de cargas localizadas As peças relacionadas à seguir foram retiradas dos desenhos técnicos exemplificados neste exercício Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento As velocidades nas tubulações de 300 mm e 500 mm para as situações de 1 2 e 3 bombas operando são apresentadas a seguir Para o cálculo da perda de carga localizada será utilizada a seguinte expressão Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Na tabela adiante são apresentados as perdas de carga localizadas em função da vazão e do número de bombas em operação Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Perda de carga distribuída As perdas de carga distribuída serão calculadas pela fórmula Universal com K02 mm Características da linha de recalque Quando se utiliza conjunto motorbomba submerso não há tubulação de sucção uma vez que o conjunto opera imerso no líquido a ser bombeado Diâmetro 500 mm Extensão 35 m Material ferro fundido dúctil Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Determinação da curva característica do sistema Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Escolha do conjunto motorbomba Características do conjunto selecionado Para atender aos pontos exigidos pelo sistema foi selecionado o seguinte conjunto motor bomba Conjunto motorbomba submersívelFLYGT Modelo CP 3201 180MT Rotor 304 mm Rotação 1170 rpm Número de conjuntos 1ª etapa 2 1 reseva 2ª etapa 3 1 reserva Potência do motor 30 kW Curva da bomba do catálogo do fabricante Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Determinação dos pontos operacionais da bomba Pela análise dos pontos de encontro entre as curvas características do sistema com as curvas das bombas temse Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Dimensionamento do poço de sucção Volume útil Dimensionamento do poço de sucção para bombas de rotação constante o volume útil mínimo do poço de sucção é calculado através da seguinte expressão Para tempo de ciclo de 10 minutos portanto 6 partidas por hora e capacidade máxima da bomba de 132 Ls temse o seguinte volume útil mínimo para o poço de sucção Onde V volume mínimo L Q capacidade da bomba Ls T tempo de ciclo s Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Dimensionamento do poço de sucção Volume total projetado Como no poço de sucção temse um volume ocupado pelas bombas pelos tubos e também pela parede de dissipação o volume total projetado deve ser superior ao volume útil calculado Características do poço de sucção poço retangular 420 x 575 m ajustado conforme projeto faixa operacional das bombas 10 m Para os desenhos e ajustes de projeto neste exercício temse Volume total projetado VT 420 x 575 x 10 2415 m3 Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Dimensionamento do poço de sucção Volume ocupado pelos tubos Volume ocupado pela parede de dissipação Volume ocupado pelas bombas Volume útil projetado Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Verificação do tempo de detenção do esgoto O tempo de detenção do esgoto no poço de sucção será calculado pela seguinte expressão Onde Td tempo de detenção min Ve volume efetivo do poço m3 Qm vazão média afluente à elevatória no início de operação m3min Para vazão média de 9618 Ls no início do plano e sendo Ve 3285 m3 valor obtido pelo arranjo do projeto temse Portanto T 30 min como recomendado pela NB569 de 1989 da ABNT Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Sequência operacional das bombas As bombas serão acionadas conforme sequência de operação a seguir Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Cálculo da submergência mínima das bombas Recomendações O valor da submergência mínima s deve ser determinado de modo a não permitir o vórtice e também manter a bomba sempre afogada Usar recomendações do fabricante ou às disponíveis na literatura Exercício Considerandose a vazão máxima de 132 Ls para cada bomba sendo D03m atendendo o fabricante da bomba que recomenda a submergência mínima de 0585 m e pelas análises dos valores recomendados por vários autores podese concluir que o valor recomendado pelo fabricante pode ser aceito Entretanto será adotado no projeto o valor de 0785 m para submergência mínima de modo que a altura do nível mínimo de água e o fundo da laje do poço de sucção seja de 120 m Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Subemergência mínima das bombas Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Verificação do NPSH Net Positive Suction Head altura livre positiva de sucção O cálculo de NPSH disponível é feito através da seguinte expressão Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Como a bomba situase abaixo do nível de água temse Cálculo de Z Para a condição de NAmáx Z 100m NAmin Z 00 Cálculo da pressão atmosférica Pa Pa pNAmin 76307 m Pa 949 m sucção de bomba Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Cálculo da pressão de vapor Pv Para temperatura 20ºC Pv 024 m Cálculo de hf Como se trata de bombas submersíveis não há tubulação de sucção portanto hf0 Cálculo do NPSHdisponível Para NAmáx NPSHd 0 949 024 0 925 m Para NAmin NPSHd 100 949 024 1025 NPSHrequerido Para a faixa operacional o NPSH da bomba situase entre 42 a 44 m Catálogo da bomba Portanto como NPSHd NPSH não haverá problemas de cavitação da bomba Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Planta da elevatória do exercício Estação Elevatória de Esgoto Dimensionamento Corte da elevatória do exercício Estação Elevatória de Esgoto MUITO OBRIGADO