Hidráulica Aplicada ao Saneamento Ambiental

HIDRÁULICA APLICADA AO SANEAMENTO AMBIENTAL Robson da Costa 2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO A HIDRÁULICA APLICADA AO SANEAMENTO AMBIENTAL 3 2 COMO TRANSPORTAR FLUÍDOS 26 3 AS MÁQUINAS HIDRÁULICAS E COMO ELEVAR OS FLUÍDOS 42 4 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA 61 5 SISTEMAS DE ESGOTAMENTO SANITÁRIO 89 6 DRENAGEM URBANA E OS PROBLEMAS AMBIENTAIS 113 3 1 INTRODUÇÃO A HIDRÁULICA APLICADA AO SANEAMENTO AMBIENTAL Se alguém lhe pedir um exemplo de fluído com certeza uma de suas primeiras respostas seria a água A água é sem dúvida a substancia mais importante presente na natureza sendo portanto fundamental para a vida pois constitui parte de todas as matérias tanto nos ecossistemas existentes ou antrópicos Este bem tão precioso portanto não se destina apenas ao abastecimento mas à irrigação à transformação de produtos à indústria e outras diversas aplicações Iniciaremos nossos estudos em Hidráulica que é umas das mais antigas ciências pesquisadas pela humanidade Entender suas leis e definilas não é uma tarefa fácil sendo que seu estudo vem se aprimorando desde a antiguidade desde os tempos dos canais babilônicos e sumérios na agricultura passando as grandes obras romanas com seus aquedutos e fontes até os dias atuais em que os desafios dos profissionais estão focados basicamente na Gestão Hídrica e Ambiental A partir deste contexto este Elemento Textual irá auxiliálo em seus estudos neste tão importante ramo das ciências exatas utilizadas nas mais diversas situações do nosso dia a dia 11 Como definimos os Fluídos Iniciaremos nossos estudos definindo nossos atores principais os fluídos Vamos observar a Figura 11 abaixo 4 Figura 11 Copos Fonte PETROFF T 2010 Disponível em httpsbitly3csSiJM Acesso em 23 set 2020 Ao observarmos os três copos vemos claramente que temos um vazio um meio cheio e um totalmente cheio de água não é Isso seria correto para um simples observador mas se tratando de fluídos temos todos os copos preenchidos totalmente por dois tipos de fluidos conforme a Figura 12 Figura 12 Copos Adaptado Fonte PETROFF T 2010 Disponível em httpsbitly3csSiJM Acesso em 23 set 2020 Adaptado Assim podemos definir que um fluido é uma substância que se deforma continuamente quando submetida a uma tensão de cisalhamento força tangencial distribuída em uma área ou seja o mesmo irá escoar Já em um sólido essa tensão de 5 cisalhamento poderá causar uma deformação que é proporcional à intensidade da força aplicada Observe a Figura 13 Figura 13 Líquido submetido a Força Tangencial Fonte O autor Além disso vamos observar a Figura 14 e verificar como os fluídos se comportam quando inclinamos o recipiente no qual estão contidos Percebemos que o fluído líquido forma uma linha paralela ao eixo horizontal portanto formando uma superfície plana devido à ação da pressão atmosférica local bem visível Não percebemos essa mesma condição no volume ocupado pelos gases sendo imperceptível qualquer linha de divisão 6 Figura 14 Copo Inclinado Desta forma podemos classificar os fluídos de duas formas distintas Líquido Que assume a forma do recipiente e tem suas partículas fracamente ligadas apresentando considerável mobilidade sendo que sua estrutura não apresenta simetria de translação ou periodicidade exceto quando no estado sólido Sempre formando uma superfície plana com a atmosfera sendo que o seu volume não pode ser facilmente comprimido Gasoso Ocupam todo o espaço disponível no recipiente porém não formam nenhuma superfície visível com a atmosfera porém o seu volume pode ser facilmente comprimido Em nossos estudos vamos focar no estudo dos fluídos líquidos 111 Massa Peso e Peso relativo Específico Algumas propriedades dos líquidos devem ser estudadas para que possamos prosseguir Vamos recordar três destas importantes relações O peso W é a força com que um corpo é atraído pela Terra pela ação da gravidade e a massa m é uma medida direta da oposição que um corpo oferece à mudança em seu estado de movimento 7 Portanto existe uma relação entre peso e massa sendo que a massa m é a medida da quantidade de matéria que um objeto contém Já o peso W é o produto da massa pela ação da gravidade portanto peso e massa se relacionam sendo grandezas proporcionais quanto maior a força da gravidade maior será o peso Assim podemos definir que 1112 Massa Específica ρ definida pela relação entre a massa do fluído kg e o volume m³ por ele ocupado 𝜌 𝑚 𝑉 Eq 01 1113 Peso Específico definido pela relação entre o peso do fluído W em N e o volume m³ por ele ocupado 𝛾 𝑊 𝑉 𝑝𝑜𝑟é𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑊 𝑚 𝑔 𝑝𝑜𝑑𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑖𝑡𝑢𝑖𝑟 𝑠𝑒𝑛𝑑𝑜 𝛾 𝑚 𝑔 𝑉 𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑚 𝑉 𝜌 𝑝𝑜𝑑𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑠𝑖𝑚𝑝𝑙𝑒𝑠𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑟𝑒𝑣𝑒𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝛾 𝜌 𝑔 Eq 02 1114 Peso Específico Relativo r definido pela relação entre o peso específico de um fluído e o peso específico de referência r Este último no caso dos fluídos líquidos será a da água a 4⁰C com o valor de 10000 Nm³ H2O Cabe ressaltar que se trata de um valor adimensional muito utilizado quando queremos comparar substâncias por exemplo no tratamento de efluentes quaisquer 𝛾𝑟 𝛾 𝛾𝐻2𝑂 Eq 03 8 12 Tipos de Movimentos dos Fluídos Em hidráulica separamos os estudos dos fluídos em duas áreas distintas a Hidrostática que estuda as propriedades dos fluídos em repouso b Hidrocinética que estuda as propriedades dos fluídos em movimento Neste texto iremos estudar os fluidos líquidos em movimento Assim para que possamos iniciar nossos estudos de Hidrocinética é necessário entendermos e classificarmos os movimentos dos fluídos observando a Figura 15 abaixo Figura 15 Regimes de Escoamento Uniforme Fonte O autor Ao observarmos a Figura 15 percebemos que o enchimento dos copos nos instantes t1 t2 e t3 não variam pois a cada um destes instantes os níveis entre os dois copos se mantém inalterados Isso só é possível porque a quantidade de água que escoa aos copos é constante e uniforme Com isso podemos classificar um tipo de Regime de Escoamento 9 121 Escoamento Permanente e Uniforme Ocorre quando não há variação de propriedades como pressão e velocidade ao longo do tempo e todos os pontos da mesma trajetória são os mesmos Assim a velocidade pode variar de uma trajetória para outra mas na mesma trajetória todos os pontos têm a mesma velocidade ou seja de um ponto a outro da mesma trajetória a velocidade não varia o módulo a direção e o sentido são constantes É o que ocorre na Figura 15 no escoamento aos copos sendo que também tende a ocorrer em tubulações longas e de diâmetro constante Agora vamos observar a Figura 16 abaixo Figura 16 Regimes de Escoamento Não Uniforme Fonte O autor Já na Figura 16 verificamos que o enchimento dos copos nos mesmos instantes t1 t2 e t3 não são mais constantes variando os níveis entre os dois copos Isso só é possível porque a quantidade de água que escoa aos copos não é constante e nem uniforme Assim podemos classificar um segundo tipo de Regime de Escoamento 10 122 Escoamento Não Permanente e Variado Já neste caso há variações de pressão e velocidade ao longo do tempo e os diversos pontos da mesma trajetória não apresentam velocidade constante no intervalo de tempo considerado E no exemplo da Figura 16 na variação dos instantes t1 t2 e t3 há uma diferença do volume escoado aos copos alterando a pressão entre elas e consequentemente a velocidade de saída do escoamento nas torneiras não são iguais Esse regime pode ser verificado no escoamento de um rio 13 O Número de Reynolds e a Classificação dos Escoamentos Osborne Reynolds 18421912 em 1883 estudou o escoamento em tubos ou dutos utilizando um experimento muito simples Em um tubo transparente Reynolds adaptou uma sonda de corante para introduzir um contraste no escoamento para verificar suas condições Com esse experimento verificou que o contraste de corante apresentava comportamentos diferentes de acordo com as diferentes características do tubo do fluido e do escoamento Para identificar o tipo de escoamento Reynolds propôs um parâmetro adimensional conhecido como número de Reynolds que relaciona as seguintes propriedades do fluido massa específica e viscosidade υ diâmetro do tubo D e velocidade média do escoamento v O tipo de regime de escoamento é um dos parâmetros de projeto que devem ser escolhidos pelo Engenheiroa dependendo do tipo de aplicação como por exemplo a Caso seja necessária a construção de um decantador para utilização em uma Estação de Tratamento de Água o regime a ser imposto e o laminar pois assim podemos manter uma velocidade de decantação dos flocos controlada b O regime turbulento pode ser aproveitado quando se quer uma mistura rápida entre fluídos porém seus limites devem ser determinados pois caso não sejam dimensionados podem causar problemas a estruturas e equipamentos 11 131 O Número de Reynolds Assim após estas observações Reynolds formulou uma equação para determinar através de um número adimensional qual o regime de escoamento presente Re v D Eq04 Onde Velocidade média v em ms Diâmetro da tubulação D em m Viscosidade cinemática em m²s 1311 O que é Viscosidade Definimos como a propriedade física que caracteriza a resistência de um fluido ao escoamento associada à resistência que ele oferece à deformação por cisalhamento que é o tipo de tensão gerado por forças aplicadas em sentidos opostos porém em direções semelhantes no material analisado Um exemplo de material viscoso é o chocolate a uma determinada temperatura conforme apresenta a Figura 17 Figura 17 Exemplo de material viscoso Chocolate 12 Podemos então dizer que um fluido que escoa com menor velocidade possui uma maior resistência ao cisalhamento Lembrese que o cisalhamento é o fenômeno de deformação ao qual um corpo está sujeito quando as forças que agem sobre ele provocam um deslocamento em planos diferentes mantendo seu volume constante 13111 Viscosidade Absoluta ou Dinâmica Dependendo das condições de pressão e temperatura a que estão submetidos os líquidos e principalmente os gases sofrem mudanças de estado Conforme a lei de Viscosidade de Newton há uma proporcionalidade entre a tensão de cisalhamento e o gradiente de velocidade y Este gradiente denominado µ e a variação da velocidade e do deslocamento 𝑑𝑣 𝑑𝑦 Assim para cada tipo de fluido em uma determinada condição de pressão ou temperatura determinaremos uma viscosidade absoluta ou dinâmica 𝜏 e que permitem equilibrar dinamicamente as forças tangenciais externas quando os líquidos estão em movimento Isso pode ser observado nos óleos lubrificantes quando em temperatura ambiente são mais espessos escoando lentamente e quando aquecido se torna mais fino delgado e escoando rapidamente Isso define bem a diferença de viscosidade entre os líquidos ou no caso em um mesmo fluido ou seja a capacidade maior ou menor de escoar dependendo das condições em que se encontra Definimos portanto a Viscosidade absoluta ou dinâmica como 𝜏 𝜇 𝑑𝑣 𝑑𝑦 Eq 05 13 13112 Viscosidade Cinemática A Viscosidade Cinemática será obtida pela divisão da Viscosidade absoluta ou dinâmica µ pela massa específica do fluido sendo este vantajoso pois é independente de unidades de massa geralmente em m²s 𝜈 𝜇 𝜌 Eq 06 Onde 𝜇 viscosidade absoluta 𝜌 massa específica Os valores da viscosidade cinemática para diferentes temperaturas dos líquidos mais frequentemente utilizados na prática do dia a dia são tabelados 1312 Classificação dos Movimentos A partir dos experimentos de Reynolds determinouse que os escoamentos podem ser divididos de duas formas distintas A tabela 11 abaixo representa os intervalos para cada tipo de escoamento Cabe ressaltar que estes valores podem variar para diferentes autores a partir do Regime Laminar sendo que alguns ainda classificam intervalos como Regimes de Transição Tabela 11 Tipos de regime de escoamento pelo número de Reynolds Número de Reynolds Tipo do Regime 0 2000 Laminar 2000 Turbulento Fonte O autor 14 Esta classificação para o escoamento é definida pela trajetória de suas partículas Vamos entender portanto como isso ocorre observando as Figuras 18 e 19 Figura 18 Regime de Escoamento Laminar Fonte O autor a Laminar Ocorre quando as partículas de um fluido se movem ao longo de trajetórias bem definidas apresentando lâminas ou camadas sendo que cada uma delas preserva sua característica no meio No escoamento laminar a viscosidade age no fluido no sentido de amortecer a tendência de surgimento da turbulência Este escoamento ocorre geralmente a baixas velocidades e em fluídos que apresentem grande viscosidade Se observarmos a Figura 18 ao olharmos para um decantador num dia de pouco vento temos a impressão que suas águas estão paradas porém existem movimentos que podem ser exemplificados conforme a própria figura na qual cada partícula possui uma trajetória bem definida e um único sentido 15 Figura 19 Regime de Escoamento Turbulento Fonte O autor b Turbulento Ocorre quando as partículas de um fluido não se movem ao longo de trajetórias bem definidas ou seja as partículas descrevem trajetórias irregulares com movimento aleatório produzindo uma transferência de quantidade de movimento entre regiões da massa líquida Este escoamento é comum na água cuja viscosidade é relativamente baixa e como podemos observar na Figura 19 a trajetória das partículas não possui um sentido único e nem definido 16 14 Entendendo o que é Vazão Q Até agora estamos estudando as características e classificações dos movimentos dos fluidos que escoam Mas o que é escoamento Escoamento é o fluxo de fluido que percorre um determinado conduto Assim quando dizemos por exemplo que a água está escoando por uma tubulação na verdade estamos descrevendo um fenômeno físico denominado de Vazão Q Vamos observar a Figura 110 a seguir Figura 10 Vazão Volumétrica Fonte O autor Verificamos que no intervalo dos instantes t1 e t2 houve um aumento do volume de água decorrente do escoamento de uma torneira Assim uma das formas que podemos descrever a vazão como o quociente entre o volume reservado escoado pela torneira e o intervalo de tempo Δt entre os instantes t1 e t2 Desta forma podemos descrevêla como Q V t Eq 07 17 Onde V volume m³ Δt intervalo de tempo entre t1 e t2 s Q vazão m³s Agora usando o mesmo raciocínio vamos observar a Figura 11 Figura 111 Vazão Volumétrica em uma Tubulação Fonte Google Adaptado Observe que na Figura 111 o fluido se movimenta dentro de uma tubulação Se fizermos um corte AA e BB e estabelecermos que cada um corresponde ao instante t1 e o instante t2 percorrendo certa distância D verificamos que se multiplicarmos a mesma pela área da tubulação A calculamos o seu volume sendo portanto V D A Eq 08 Substituindo o volume V na equação teremos Q V t D A t porém D t v portanto Q v A 18 Desta forma podemos descrever a vazão Q que escoa numa tubulação descrita como a quantidade de massa líquida ou gasosa que flui ou escoa por uma determinada distância D atravessando uma certa seção de área A com uma velocidade média v em um determinado espaço de tempo t Desta forma verificamos que existe então uma relação entre o volume de água que escoa por uma tubulação e sua velocidade média de escoamento sendo Q v A Eq 09 Denominamos este tipo de movimento de massa fluida ou gasosa como Vazão Volumétrica Q sendo suas unidades de medidas mais comuns Ls Lmin Lhora m³s m³h ou m³dia Também podemos determinar a chamada Vazão Mássica Qm análoga a vazão volumétrica porém utilizandose de massa em quilos kg que escoam Mas quando utilizar esta forma Um bom exemplo é quantificar a massa de concreto que deve ser lançada numa determinada obra Assim Qm m t Eq 10 Como a massa específica de uma substância e a razão da massa da substância pelo volume por ele contido podemos concluir que m V entao m V assim Qm m t V t portanto Qm Q Eq 11 A vazão mássica pode ser descrita em diversas unidades sendo as mais comuns como kgs kgmin kghora tonhora tondia 19 15 Equação da Continuidade Agora que estudamos o conceito de vazão podemos determinar uma importante relação que irá nos ajudar a desenvolver vários problemas hidráulicos e nos ajudará a entender como resolver várias situações de passivos ambientais Já estudamos que os fluidos líquidos são incompressíveis ou seja mantêm sua densidade sempre constante com o tempo tendo a capacidade de oporse à compressão do mesmo em qualquer condição sendo que alguns fluidos são mais compressíveis que outros Se observarmos agora uma tubulação em que num determinado trecho há a diminuição ou ampliação de seu diâmetro D podemos afirmar que a massa do fluido que escoa na seção de área A1 é a mesma que escoa na seção de área A2 como demonstrado na equação da vazão mássica Q pois se não há perda de massa entre os dois pontos e a massa do fluído está contida na tubulação e como os fluidos são incompressíveis o escoamento do fluido dentro da tubulação será considerado constante Desta forma podemos afirmar que a massa do fluido que escoa na seção de área A1 é a mesma que escoa na seção de área A2 como demonstrado na equação 11 da vazão mássica Qm podendo ser assim descrita 𝐐𝐦 𝐐 𝐩𝐨𝐫𝐭𝐚𝐧𝐭𝐨 𝐐𝐦𝟏 𝐐𝐦𝟐 𝐬𝐞𝐧𝐝𝐨 𝟏 𝐐𝟏 𝟐 𝐐𝟐 Eq12 Se não há perda de massa fluída durante o escoamento podemos afirmar que 𝟏 𝟐 𝐩𝐨𝐫𝐭𝐚𝐧𝐭𝐨 𝐐𝟏 𝐐𝟐 𝐞 𝐜𝐨𝐦𝐨 𝐐 𝐯 𝐀 𝐞𝐧𝐭ã𝐨 𝐯𝟏 𝐀𝟏 𝐯𝟐 𝐀𝟐 Denominamos o princípio de conservação da massa para um fluido em movimento de Equação da Continuidade sendo portanto 𝐐𝟏 𝐐𝟐 𝐐𝐧 𝐨𝐮 𝐯𝟏 𝐀𝟏 𝐯𝟐 𝐀𝟐 𝐯𝐧 𝐀𝐧 Eq13 Isso pode ser visto na Figura 112 em tubo de Venturi utilizado em medições de vazão 20 Figura 112 Equação da Continuidade Fonte Gratispng sd sp Adaptado Concluímos que toda a vazão de entrada Qe deve ser igual a toda a vazão de saída Qs conforme abaixo QeQs ou ve Ae vs As Eq 14 16 Equação da Energia Definimos energia como a capacidade de realizar certo trabalho existindo de várias formas possíveis como energia hidráulica mecânica ou fluvial A essa nova formulação denominamos de Equação de Conservação de Energia a qual associada aos conceitos da Equação da Continuidade nos ajudará a compreender e calcular diversos problemas relacionados a Engenharia para isso vamos observar a Figura 113 21 Figura 113 Equação da Energia Fonte O autor A Figura 113 apresenta um fluxo submetido em suas extremidades por duas pressões P1 e P2 em um intervalo de tempo Δt onde um determinado volume flui através deste fluxo Assim o trabalho T realizado sobre este elemento de volume ΔV durante este escoamento pode ser descrito 𝑻 𝑭𝟏 𝜟𝒙𝟏 𝑭𝟏 𝜟𝒙𝟏 𝑷𝟏 𝑨𝟏 𝜟𝒙𝟏 𝑷𝟐 𝑨𝟐 𝜟𝒙𝟐 𝑷𝟏 𝜟𝑽 𝑷𝟐 𝜟𝑽 𝒂𝒔𝒔im 𝑻 𝑷𝟏 𝑷𝟐 𝜟𝑽 Eq 15 22 161 Componentes de Energia Associados aos Fluídos Para o desenvolvimento de nossa equação utilizaremos três tipos de energia a saber a Energia Potencial de Posição Ez é aquela associada à altura de uma determinada massa m em relação e uma determinada diferença de cota a partir de uma linha horizontal de referência LHR denominada z ou seja e o produto do peso W desta massa m pela diferença de cotas z entre a LHR 𝑬𝒛 𝑾 𝒛 𝒎 𝒈 𝒛 Eq 16 b Energia Cinética Ec é aquela que relacionaremos ao movimento de escoamento do fluído onde a massa m com velocidade média v irá ganhar energia cinética Ec à medida que acelera e perdendo energia potencial Ez conforme diminui a diferença de cota z 𝑬𝒄𝒆 𝐦 𝐯² 𝟐 𝒎 𝒈 𝒛 𝑬𝒄𝒔 𝒐𝒖 𝒔𝒊𝒎𝒑𝒍𝒆𝒔𝒎𝒆𝒏𝒕𝒆 𝑬𝒄 𝐦 𝐯𝟐 𝟐 Eq 17 c Energia Potencial de Pressão Ep a energia potencial de pressão é o produto do peso W de uma massa m pela carga de pressão h Para determinarmos a carga de pressão h devemos recordar dos conceitos de Stevin onde a pressão em um determinado ponto e o produto de seu peso específico pela diferença de cota a partir de uma linha horizontal de referência LHR denominado h ou pela leitura dos manômetros 𝑷 𝒉 𝒉 𝑷 Eq 18 Portanto a energia potencial de pressão pode ser escrita conforme a equação 17 𝑬𝒑 𝑾 𝒉 𝒎 𝒈 𝑷 Eq 19 23 Partimos está formulação e devendo considerar o sistema em regime permanente sem considerarmos tensões de atrito e viscosidade Podemos assim excluindo as energias térmicas e adotando as energias mecânicas e de pressões envolvidas determinar a seguinte equação de energia total do fluido ETF abaixo 𝑬𝑻𝑭 𝑬𝒛 𝑬𝒄 𝑬𝒑 𝒐𝒖 𝑬𝑻𝑭 𝒎 𝒈 𝒛 𝐦 𝐯𝟐 𝟐 𝒎 𝒈 𝐏 Eq 20 162 Equação de Bernoulli Ela recebe esse nome em homenagem a Daniel Bernoulli 17001782 matemático suíço que a publicou em 1738 Para isso ele introduziu algumas regras de simplificação para seu desenvolvimento atribuindo que o seu escoamento acontece em um fluido ideal onde Escoamento se dará em Regime Permanente Não há acréscimo ou diminuição da energia ou seja ETFe Energia Total de Entrada ETFs Energia Total de Saída Inexistência de resistências viscosas no fluído Incompressibilidade e Não há transformação em energias de calor Este resultado demonstra que sob regime permanente a vazão total de energia QETF se conserva em toda a seção da tubulação sendo 𝑸𝑬𝑻𝑭 𝑬𝑻𝑭𝟏 𝑬𝑻𝑭𝟐 𝑬𝑻𝑭𝒏 Constante Eq 21 Se dividirmos a vazão total de energia QETF pela vazão em peso QW iremos definir um novo parâmetro denominado de carga H onde 𝑸𝑬𝑻𝑭 𝑸𝑾 𝑯 Eq 22 24 Simplificando a equação de carga dividindo a vazão total de energia QETF pela vazão em peso QW e substituindo por seus termos determinamos 𝑯 𝑸𝑬𝑻𝑭 𝑸𝑾 𝑸𝑬𝒛𝑸𝑬𝒄𝑸𝑬𝒑 𝑸𝑾 𝒛 𝒗² 𝟐𝒈 𝑷 𝑯 Eq 23 Definimos portanto a denominada Equação de Bernoulli como 𝑯𝟏 𝑯𝟐 𝒑𝒐𝒓𝒕𝒂𝒏𝒕𝒐 𝒛𝟏 𝒗𝟏² 𝟐𝒈 𝑷𝟏 𝒛𝟐 𝒗𝟐² 𝟐𝒈 𝑷𝟐 Eq 24 Conclusão Neste Bloco definimos muitas equações que serão utilizadas em diversas soluções para os problemas que enfrentaremos na Engenharia Ambiental Conhecer as propriedades dos fluidos é de grande valia quando trabalharmos com diversos tipos de efluentes e suas massas específicas Além disso aprendemos os conceitos de vazão e da equação da continuidade que serão a base de nossos projetos nas áreas de Saneamento e Drenagem Urbana além da aplicação da Equação de Bernoulli Vamos em frente e bons estudos REFERÊNCIAS AZEVEDO NETTO J M Manual de Hidráulica São Paulo Edgar Blucher 1973 1977 1982 25 BISTAFA S R Mecânica dos Fluidos noções e aplicações São Paulo Edgar Blucher 2010 BRUNETTI F Mecânica dos Fluidos São Paulo Pearson Prentice Hall 2008 26 2 COMO TRANSPORTAR FLUÍDOS Agora que conhecemos as propriedades dos fluídos líquidos e gasosos e as equações de conservação de energia vamos aprender a dimensionar a condução destes fluídos através de condutos Iremos destacar como dimensionar e vencer a diminuição desta energia a qual chamamos de Perda de Carga Ao final deste Bloco teremos também a apresentação de equipamentos de medição de pressão e vazão que serão úteis em nossas atividades de campo e como parâmetros de estudos Ambientais 21 Condutos Podemos exemplificar os condutos observando o comportamento da água de uma determinada precipitação em uma rua qualquer Se observarmos bem a mesma deve conduzir este escoamento superficial às guias e consequentemente recolhidas nas bocas de lobo pelo simples fato de sua topografia Já ao abrirmos uma torneira com água a mesma irá jorrar sendo que sua condução se dará pela tubulação a qual está conectada Com isso classificamos em dois tipos os condutos Naturais como os rios e córregos Construídos como tubulações e canais pluviais Já para os conceitos de hidráulica estes mesmos condutos naturais ou construídos serão estudados e denominados por algumas características a seguir a Conduto livre aqueles em que atua a pressão atmosférica formando sempre uma superfície livre como um canal de um rio E considerado também como conduto livre aquela tubulação na qual o fluido conduzido não preenche 27 totalmente sua seção funcionando como uma calha É importante ressaltar que o movimento deste se dará de montante para jusante sempre em relação a diferença de cotas m entre dois pontos b Conduto forçado aqueles onde o fluído conduzido possui a pressão interna maior que a atmosférica sendo portanto necessário serem contidos preenchendo totalmente os mesmos Neste caso o seu movimento poderá ser em qualquer sentido de escoamento em relação a um determinado ponto A Figura 21 apresenta cada um destes tipos de condutos Figura 21 Exemplo de Conduto Natural e Livre e Forçado Construído Fonte O autor 212 Tipos de Condutos Como estudado no Bloco 1 definimos a vazão como o escoamento de um fluido em um determinado espaço de tempo no qual está em movimento Este deslocamento se dará portanto em um determinado tipo de conduto 28 Figura 22 Filmagem de Tubulações Pluviais Fonte O autor Ao observarmos a Figura 22 são apresentadas duas redes de águas pluviais de concreto é possível verificar em uma delas o crescimento de uma raiz de árvore Elas são exemplos de condutos livres construídos para a condução das águas pluviais sendo portanto necessário que essa condução seja desimpedida de qualquer obstáculo Mas se analisarmos um pouco mais perceberemos que o próprio acabamento deste tipo de tubulação irá causar um atrito com o fluído conduzido de acordo com sua rugosidade 2121 Rugosidade Se sentirmos a textura interna de uma tubulação de PVC e outra de Concreto perceberemos que pelo tipo de material e forma construtiva teremos uma diferença entre estes acabamentos Assim podemos descrever a rugosidade e como as imperfeições de acabamento das superfícies internas de um conduto construído Utilizamos o mesmo raciocínio para os condutos naturais apenas observando o leito de um rio com suas irregularidades pedras ou detritos variados Nos estudos dos condutos forçados utilizamos as seguintes relações nos dimensionamentos das tubulações Quanto mais liso o tubo menor será o atrito do fluido com suas paredes a A rugosidade depende do tipo de material da tubulação e do tipo de processo de fabricação dela 29 b A rugosidade equivalente e e tabelada conforme o tipo de material e pode ser encontrada facilmente durante o projeto de acordo com o material necessário a ser dimensionado Por exemplo Aço Comercial 000006 m Concreto Rugoso 00005 m Ferro Fundido Revestido 00001 m Polímeros Plásticos 000006 m c Denominamos como rugosidade relativa eR o quociente da rugosidade equivalente e pelo diâmetro D da tubulação estudada conforme abaixo 𝑒𝑅 𝑒 𝐷 Eq 25 22 Perdas de Carga Distribuídas hf Determinamos que a Perda de Carga é um termo utilizado para descrever a diminuição da energia desprendido por um fluido para vencer as resistências do escoamento devido outros fatores em função do efeito viscoso do fluido da velocidade de escoamento da geometria da tubulação comprimento e diâmetro da rugosidade da parede da tubulação e da sua massa específica Essa energia se perde sob a forma de calor Vamos entender portanto como isso ocorre observando a Figura 23 30 Figura 23 Perdas de Carga durante um escoamento Fonte O autor Podemos então a partir da Figura 16 estabelecer as seguintes condições Utilizando a Equação 24 de Bernoulli do Bloco 1 podemos dizer que a carga H1H2 Se considerarmos as perdas de energia pelo atrito do movimento de escoamento do fluído devido a sua rugosidade e denominando a mesma como Perda de Carga Total HTf e somandose a parcela de H2 podemos reescrever a equação 24 da seguinte maneira 𝑯𝟏 𝑯𝟐 𝑯𝑻𝒇 𝒑𝒐𝒓𝒕𝒂𝒏𝒕𝒐 𝒛𝟏 𝒗𝟏𝟐 𝟐𝒈 𝑷𝟏 𝒛𝟐 𝒗𝟐𝟐 𝟐𝒈 𝑷𝟐 𝑯𝑻𝒇 Eq 26 Sempre haverá perdas de energia durante o escoamento mesmo em trechos retos de tubulação As velocidades no trecho são iguais pois não há alteração do diâmetro da tubulação 31 Em trechos retos esta perda de energia pode ser medida diretamente pela diferença de pressão entre os dois pontos desde que não haja variação do diâmetro da tubulação denominada de Perdas de Carga Distribuída hf conforme apresentado pelos manômetros da Figura 23 Existem muitas fórmulas para o cálculo da Perda de Carga Distribuída sendo as mais utilizadas a seguintes fórmulas Fórmula de HazenWillians Fórmula Universal ou de DarcyWeisbach Quanto maior for à extensão em comprimento da tubulação L portanto melhor será para que a mesma entre em regime de escoamento dinâmico Isso só não ocorrerá se houver entre o comprimento estudado a presença de uma máquina que estudaremos a partir o Bloco 3 ou variação do seu diâmetro que irão alterar a velocidade média de escoamento Desta forma podemos utilizar as seguintes equações 221 Fórmula de HazenWillians Para aplicação da fórmula de HazenWillians algumas restrições devem ser feitas a O fluido escoando na tubulação deve ser a água sob temperatura ambiente b As tubulações devem ter diâmetro D maior ou igual a 50 mm c O escoamento deve ser turbulento Cabe lembrar que a maioria dos problemas de natureza prática são turbulentos Re2000 quando o fluido é a água Sua fórmula é descrita ℎ𝑓 10643 𝑄185 𝐿 𝐶185 𝐷487 Eq 27 32 Onde hf perda de carga distribuída m L comprimento da tubulação m D diâmetro da tubulação m Q vazão de escoamento m³s C coeficiente de HazenWillians que depende da natureza material e estado de conservação das paredes dos tubos e está intimamente relacionado com a rugosidade relativa εD O coeficiente de sua fórmula é denominado pela letra C e é tabelado de acordo com o tipo de material e características como idade de implantação juntas ou revestimento conforme a Tabela 21 Tabela 21 Coeficientes C de HazzenWillians Tipo da Tubulação Coeficiente C Aço soldado e novo 130 Ferro Fundido após 1520 anos 100 Polímeros Plásticos 140 Fonte Adaptada de BRUNETTI 2008 222 Fórmula Universal ou de DarcyWeisbach A fórmula universal ou de DarcyWeisbach pode ser utilizada para qualquer tipo de fluido e é válida para qualquer regime de escoamento sendo laminar ou turbulento ℎ𝑓 𝑓 𝐿 𝐷 𝑣² 2 𝑔 Eq 28 Onde hf perda de carga distribuídam f fator de atrito 33 L comprimento da tubulação m D diâmetro da tubulação m v velocidade de escoamento ms g aceleração da gravidade ms² Portanto para a obtenção do valor de perda de carga distribuída hf é necessário dados de entrada o comprimento da tubulação L o diâmetro D e a energia cinética da carga v²2g através de sua velocidade média v 23 Fator de atrito f O fator de atrito f é uma função equivalente a fórmula universal em relação a dois parâmetros já estudados por nós a A rugosidade relativa conforme equação 25 𝑒𝑅 𝑒 𝐷 Eq 25 b O número de Reynolds estudado no Bloco 01 na equação 04 Re v D Eq 04 Portanto o fator de atrito é um parâmetro adimensional que depende do número de Reynolds e da rugosidade relativa pode ser calculado graficamente através do diagrama de Moody que fornece o fator de atrito ordenada y da esquerda a partir do número de Reynolds na abscissa eixo x e da rugosidade relativa ordenada y da direita Ainda é utilizado mas como tratase de uma leitura de ábaco as respostas podem variar entre os projetistas Porém com a melhora da computação em 1976 SwameeJain postulou uma equação utilizada para o seguinte intervalo dos parâmetros da função do número de Reynolds e da rugosidade relativa 34 106 e D 102 5103 Re 108 Se os valores calculados estiverem entre estes parâmetros podemos utilizar a equação 29 f 025 log e 37 D 574 Re09² Eq 29 Em 1993 Swamee pesquisou e desenvolveu uma equação geral para o cálculo de todos os intervalos possíveis para a determinação do fator de atrito conforme a equação 30 f 64 Re 8 95 ln e 37 D 574 Re09 2500 Re 6 16 0125 Eq 30 Se o número de Reynolds calculado for 𝑅𝑒 2000 o cálculo do fator de atrito e o quociente da equação 31 f 64 Re Eq 31 24 Perdas de Carga Localizadas hs Podem ser também chamadas de Perdas em singulares ou secundárias e ocorrem sempre que há mudança no módulo e ou na direção da velocidade Uma mudança no diâmetro ou na seção do escoamento implica uma mudança na grandeza da velocidade 35 As singularidades são todos os acessórios inseridos em uma rede de tubulações que vão desde suas conexões como os equipamentos de controle como válvulas conforme a Figura 24 Não estão inclusos as Máquinas como Bombas ou Turbinas nesta descrição Figura 24 Exemplos de Singularidades Fonte O autor Diferentemente do desenvolvimento do cálculo da perda de carga distribuída hf sua equação será o produto do um coeficiente de descarga para perdas localizadas k pela carga cinética conforme a equação 32 ℎ𝑠 𝑘 𝑣² 2 𝑔 Eq 32 O fator k é calculado experimentalmente para cada tipo de singularidade encontrada no mercado e é apresentado em tabelas pelos fabricantes Se a velocidade for menor que 1 ms e o número de peças for pequeno as perdas localizadas podem ser desprezadas 36 25 Equação Geral para o Cálculo das Perdas de Carga Total HTf Agora que determinamos os diferentes tipos de perdas de cargas que ocorrem em um sistema de tubulação podemos finalmente determinar a equação geral para a perda de carga total HTf 251 Fórmula de HazenWillians Lembrese que a utilização desta fórmula é direcionada quando os cálculos envolvem o fluido água 𝐻𝑇𝑓 ℎ𝑓 ℎ𝑠 10643 𝑄185 𝐿 𝐶185 𝐷487 𝑘 𝑣2 2 𝑔 Eq 33 252 Fórmula Universal ou de DarcyWeisbach Pode ser utilizada para qualquer sistema de tubulações conduzindo fluidos podendo haver diversos trechos retos e diversas singularidades instaladas ao longo de seu comprimento total 𝐻𝑇𝑓 ℎ𝑓 ℎ𝑠 𝑓 𝐿 𝐷 𝑣2 2 𝑔 𝑘 𝑣2 2 𝑔 Eq 34 26 Tipos de Medidores Neste bloco estudaremos as medições realizadas com manômetros e medidores de vazão cada qual obedecendo a seus critérios construtivos e de aplicação Cabe ressaltar que a leitura destes instrumentos deve ser realizada utilizando os critérios estabelecidos na NBR 100121 sendo necessário Comprovação metrológica Conjunto de operações necessárias para assegurar se de que um dado equipamento de medição está em condições de conformidade com os requisitos para o uso pretendido 37 Equipamento de medição Todos os instrumentos de medição padrões de medição materiais de referência dispositivos auxiliares e instruções necessária para a execução da medição Exatidão da medição Proximidade entre o resultado de uma medição e o valor real convencional do mensurando Incerteza da medição Resultado de uma avaliação que tem por fim caracterizar a faixa dentro da qual se espera que o valor real do mensurando se encontre geralmente com uma dada probabilidade 261 Medição de Pressão A instrumentação é a ciência que se ocupa em desenvolver e aplicar técnicas de medição indicação registro e controle de processos de transformação visando à otimização de sua eficiência Essas técnicas são normalmente suportadas teoricamente em princípios físicos e ou físicoquímicos e utilizase das mais avançadas tecnologias de fabricação para viabilizar os diversos tipos de medição de variáveis industriais Dentre essas variáveis encontrase a pressão cuja medição possibilita não só seu monitoramento e controle como também de outras variáveis tais como nível vazão e densidade Os manômetros são os dispositivos utilizados para indicação local de pressão e em geral divididos em duas partes principais o manômetro de líquidos que utiliza um líquido como meio para medir a pressão e o manômetro tipo elástico que utiliza a deformação de um elemento elástico como meio para se medir pressão conforme a Figura 25 38 Figura 25 Exemplo de um Manômetro do tipo elástico Fonte O autor 262 Medição de Vazão A medição de vazão de fluidos sempre esteve presente na era da modernidade O hidrômetro de uma residência o marcador de uma bomba de combustível são exemplos comuns no diaadia das pessoas Em muitos processos industriais ela é uma necessidade imperiosa sem a qual dificilmente poderiam ser controlados ou operados de forma segura e eficiente Na História grandes nomes marcaram suas contribuições Provavelmente a primeira foi dada por Leonardo da Vinci 14521519 que em 1502 observou que a quantidade de água por unidade de tempo que escoava em um rio era a mesma em qualquer parte independente da largura profundidade inclinação e outros Mas o desenvolvimento de dispositivos práticos só foi possível com o surgimento da era industrial e o trabalho de pesquisadores como Bernoulli Pitot e outros 39 Existe uma variedade de tipos de medidores de vazão simples e sofisticados para as mais diversas aplicações O tipo a usar sempre irá depender do fluido do seu estado físico líquido ou gás das características de precisão e confiabilidade desejadas e de outros fatores A escolha correta de um determinado instrumento para medição de vazão depende de vários fatores Dentre estes podese destacar Exatidão desejada para a medição Tipo de fluido se líquido ou gás limpo ou sujo número de fases condutividade elétrica transparência etc Condições termodinâmicas níveis de pressão e temperatura nos quais o medidor deve atuar entre outras propriedades Espaço físico disponível Custo 2621 Tipos de Medidores Estes medidores de vazão são na realidade sensores movidos ou que registram a passagem de fluido O número de rotações do motor está associado à vazão do fluido A seguir são apresentados alguns tipos de medidores de vazão de deslocamento positivo Tubo de Pitot A velocidade é determinada através do diferencial de pressão entre dois pontos do Pitot um deles no sentido oposto ao fluxo impacto e outro no sentido do fluxo Turbina ou Fluxímetro A velocidade é determinada como uma proporção do número de rotações de uma hélice inserida no fluxo E o exemplo do hidrômetro de nossas casas 40 Medidor Eletromagnético A lei de indução eletromagnética de Faraday rege a obtenção da velocidade do fluxo Quando um campo magnético é aplicado perpendicularmente à direção do fluxo é gerada uma força eletromotriz proporcional à velocidade média do fluxo Medidor Ultrassônico A velocidade é calculada através da emissão de pulsos ultrassônicos no fluxo dágua e os correspondentes tempos de trânsito Com estes valores comparados com o tempo no líquido estacionário determinase a velocidade média do fluxo A Figura 27 apresenta um medidor de vazão do tipo turbina mais conhecido como hidrômetro Figura 27 Exemplo de um Medidor de Turbina Hidrômetro Fonte O autor Conclusão Assim encerramos os estudos das equações básicas da Hidrocinética e podemos avançar nossos conhecimentos para a implantação de Máquinas Hidráulicas que iram ajudar a vencer as Perdas de Carga Total em nossos Sistemas e Redes de Abastecimento 41 Conhecemos a aprendemos também sobre os tipos de medidores que usaremos em nossos projetos Vamos em frente e bons estudos REFERÊNCIAS AZEVEDO NETTO J M Manual de Hidráulica São Paulo Edgar Blucher 1973 1977 1982 BISTAFA S R Mecânica dos Fluidos noções e aplicações São Paulo Edgar Blucher 2010 BRUNETTI F Mecânica dos Fluidos São Paulo Pearson Prentice Hall 2008 42 3 AS MÁQUINAS HIDRÁULICAS E COMO ELEVAR OS FLUÍDOS Imagine que você vai estudar o abastecimento de água para uma determinada comunidade e para isso deve distribuir a água de uma estação de tratamento A solução mais lógica é o bombeamento Mas como escolher a melhor bomba a ser dimensionada e o que as perdas de carga que estudamos no Bloco 2 podem interferir neste processo Vamos então começar a responder essa pergunta a partir do entendimento das Máquinas Hidráulicas 31 Máquinas Hidráulicas Denominamos de máquinas qualquer dispositivo introduzido no escoamento que forneça ou retire energia dele na forma de trabalho T Como estudamos no Bloco 02 sabemos que as perdas de carga total HTf são somadas a carga H2 conforme a equação 26 já estuda assim 𝐻1 𝐻2 𝐻𝑇𝑓 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑧1 𝑣12 2𝑔 𝑃1 𝑧2 𝑣22 2𝑔 𝑃2 𝐻𝑇𝑓 Eq 26 O escoamento ocorre no sentido de H1 para H2 e como estamos trabalhando com o regime permanente de escoamento podemos afirmar que a H1 H2 conforme estudado anteriormente b Porém se adicionarmos uma máquina HM a equação teremos duas possibilidades i Se HM somar a H1 ou seja acrescendo energia H1HMH2 portanto H2H1 e a máquina denominada como uma bomba HB 43 ii Se HM subtrair a H1 ou seja retira energia H1HMH2 portanto H2H1 e a máquina denominada com uma turbina HT c A equação geral será chamada de carga ou altura manométrica para bombas HB como para as turbinas HT Vamos observar a figura 31 e entender o que ocorre quando somamos energia através de uma Máquina Figura 31 Exemplo de acréscimo de Energia por uma Máquina Fonte O autor 44 Observando a Figura 31 podemos concluir que Utilizando o princípio de Bernoulli temos que as cargas H1H2 As perdas de carga total HFT ocorrem agora não somente pelo atrito da tubulação devido a sua rugosidade mas pela própria máquina instalada entre as cargas H As velocidades nos trechos são diferentes pois há alteração do diâmetro de entrada que chamamos de sucção e o de saída que chamamos de recalque É possível notar que o aumento da parcela de energia de pressão antes e depois da máquina Desta forma com o acréscimo de energia podemos afirmar que esta máquina é uma bomba Como iremos estudar a implantação e dimensionamento das Máquinas Hidráulicas denominadas de Bombas podemos reescrever a equação 26 da seguinte maneira 𝐻1 𝐻𝐵 𝐻2 𝐻𝑇𝑓 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜 𝐻𝐵 𝑧2 𝑣22 2𝑔 𝑃2 𝑧1 𝑣12 2𝑔 𝑃1 𝐻𝑇𝑓 Eq 35 311 Potência e Rendimento de uma Bomba A potência de uma bomba pode ser calculada através da equação 36 sendo que seus parâmetros principais são a vazão Q desejada para uma determinada carga de altura manométrica HB que estudamos na equação 35 Na realidade quando há transmissão sempre haverá perdas logo a potência recebida ou cedida pelo fluxo não coincide com a potência da máquina que é definida como sendo a potência no seu eixo O rendimento de uma bomba η será a relação entre a energia oferecida pela máquina motriz motor e a absorvida pela bomba sendo também um dos parâmetros de projeto 45 𝑁𝐵 𝑄 𝐻𝐵 𝐵 Eq 36 Onde NB Potencia da Bomba W Peso específico Nm³ Q Vazão m³s HB Carga da Altura Manométrica m 𝐵 Rendimento da Bomba 32 Bombas Centrífugas As bombas são máquinas nas quais a movimentação do líquido é produzida por forças que se desenvolvem na massa líquida São equipamentos que conferem energia de pressão aos líquidos com a finalidade de transportálos de um ponto para outro Nas bombas centrífugas a movimentação do líquido é produzida por forças desenvolvidas na massa líquida pela rotação de um rotor Este rotor é essencialmente um conjunto de palhetas ou de pás que impulsionam o líquido O rotor pode ser aberto a fechado b ou semiaberto c A escolha do tipo de rotor depende das características do bombeamento Para fluidos muito viscosos ou sujos como os de uma Estação de Tratamento de Esgoto usamse preferencialmente os rotores abertos ou semiabertos Nestes casos os rotores fechados não são recomendados devido ao risco de obstrução conforme a Figura 32 46 Figura 32 Tipos de Rotores Fonte O autor Seu funcionamento necessita que bomba esteja completamente cheia de líquido que recebendo através das pás do rotor o movimento de rotação fica sujeito à força centrífuga que faz com que o líquido se desloque para a periferia do rotor causando uma baixa pressão no centro o que faz com que mais líquido seja admitido na bomba através da sucção O fluido da alta velocidade com Energia Cinética Ec elevada é lançado para a tubulação de recalque onde o aumento progressivo da área de escoamento faz com que a velocidade v diminua transformando Energia Cinética Ec em Energia de Pressão Ep como vimos na Figura 31 As bombas centrífugas caracterizamse por operarem com vazões elevadas pressões moderadas e fluxo contínuo como podemos verificar na Figura 32 47 Figura 32 Forças Centrípetas em Bomba Radial Fonte Ultraseal sd Adaptado 321 Dimensionamento de Bombas Centrífugas Portanto para o dimensionamento e escolha das Bombas Centrífugas devemos comparar alguns parâmetros de projeto Altura Geométrica Hg É a diferença de altura entre os níveis dos reservatórios de sucção e de recalque Altura de Sucção Hs Altura da linha do fluído até o eixo da bomba Altura de Recalque Hr Altura do eixo da bomba ao ponto de escoamento do fluído como um reservatório Altura Manométrica HB Somatória de alturas de Sucção Hs de Recalque Hr e das perdas de carga distribuídas e localizadas em todo o trecho HTf 48 Vamos observar a Figura 33 em relação a instalação das Bombas Figura 33 Bombas Não Afogadas e Afogadas Fonte O autor Há ainda duas possibilidades de instalações de bombas que irão alterar apenas conceitualmente as Alturas de Sucção Hs Bombas não afogadas onde o nível do reservatório de sucção está abaixo no eixo da bomba Assim a Carga de sucção deverá ser calculada em módulo para sua carga geométrica de sucção Hgs que será menor que zero ou seja negativa conforme a equação 37 𝐻𝑠 𝐻𝑔𝑠 ℎ𝑓𝑠 ℎ𝑠 Eq 37 Bombas afogadas onde o nível do reservatório de sucção está acima no eixo da bomba Assim a Carga de sucção deverá ser calculada para que sua carga geométrica de sucção Hgs que será maior que zero ou seja positivo conforme a equação 38 𝐻𝑠 𝐻𝑔𝑠 ℎ𝑓𝑠 ℎ𝑠 Eq 38 49 33 Instalações de Recalque As Bombas Centrífugas existentes são selecionadas pelos Engenheirosas de acordo com suas características mais adequadas a sua aplicação e finalidade prevendo seu melhor rendimento para sua instalação e operação sempre procurando as melhores condições técnicas de eficiência segurança e custos associados Para uma correta instalação de recalque devemos considerar os seguintes elementos Dimensionamento da tubulação de sucção ou entrada da bomba Dimensionamento da tubulação de recalque ou saída da bomba Seleção da Bomba a partir de suas curvas características Elementos associados como motor cabine de comando Dimensionamento das singularidades necessárias como válvulas e curvas Verificação do tipo de Bomba afogada ou não Local de instalação A Figura 34 representa uma típica instalação de recalque de um Sistema de Abastecimento com Bombas Afogadas Figura 34 Instalação de Recalque em Sistema de Abastecimento de Água Fonte O autor 50 34 Curvas Características de Bombas Conforme a vazão Q aumenta seu escoamento a Altura Manométrica HB sua potência e rendimento também variam Para acompanhar estas variações são realizados testes pelos fabricantes e fornecidos pelos mesmos as Curvas Características por Tipo Modelo e Aplicação É através destas curvas que selecionamos as bombas que iremos adotar para atender uma determinada curva do sistema em seu ponto de trabalho As curvas mais importantes são Altura Manométrica Total HB x Vazão Q Potência Consumida P x Vazão Q Rendimento Total x Vazão Q NPSH requerido NPSHr x Vazão Q A Figura 35 representa uma destas curvas características de um determinado fabricante 51 Figura 35 Curva de Desempenho de Bomba Fonte Catálogo KSB Etanorm SYT V Etabloc SYT EtanormRRSY pág 41 341 Curvas do Sistema e Pontos de Operação Em uma instalação de recalque o valor da Altura Manométrica HB é variável como já dito pois as perdas de carga distribuídas e localizadas aumentam com a variação da velocidade de escoamento no sistema Assim determinamos a Curva do Sistema pela 52 soma da altura geométrica Hg e as somas das perdas de carga totais HTf para alguns pontos em um gráfico que será sobreposto as curvas de bombas fornecidas pelos fabricantes conforme a Figura 35 sendo que o ponto de intersecção entre estas duas curvas determinamos o Ponto de Trabalho Isso pode ser visto de forma mais simples observando a Figura 36 Figura 36 Ponto de Trabalho Fonte O autor 35 Associação de Bombas As bombas são associadas em série e paralelo A associação de bombas em série é uma opção quando para dada vazão desejada a altura manométrica do sistema é muito elevada acima dos limites alcançados por uma única bomba Já a associação em paralelo é fundamentalmente utilizada quando a vazão desejada excede os limites de capacidade das bombas adaptáveis a um determinado sistema A Figura 37 apresenta um conjunto de bombas trabalhando em paralelo 53 Figura 37 Exemplo de Bombas Associadas em Paralelo Fonte O autor Algumas razões nos levam à necessidade de associar bombas Quando a vazão é grande e não há no mercado comercial bombas capazes de atender a demanda pretendida Ampliações de sistemas Dificuldade de se encontrar bombas para grandes alturas manométricas a pronta entrega Diminuição de custos pela fabricação de um modelo único para atendimento do projeto Basicamente quando as vazões são amplas utilizamse bombas em paralelo e para grandes alturas manométricas utilizase em série 54 351 Associação de Bombas em Paralelo ap Quando realizamos a interligação de saída da tubulação de recalque em mais de uma bomba teremos na saída recalque a soma de cada vazão Qtap por bomba interligada e que manterão entre si a mesma altura manométrica HBTap sendo portanto Qtap Q1bomba 01 Q2bomba 02 Qnbomba n HBTap HB1bomba 01 HB2bomba 02 HBnbomba n As curvas características desta associação são apresentadas na Figura 38 entre duas bombas de vazão iguais em paralelo e entre duas bombas de vazões diferentes em paralelo Figura 38 Curva de Associação de Bombas em Paralelo de Vazões Iguais e Diferentes Fonte O autor Assim podemos definir seu rendimento ap pela equação 39 conforme a seguir 𝑁𝐵1 𝑄1 𝐻𝐵1 1 𝑒 𝑁𝐵2 𝑄2 𝐻𝐵2 2 𝑄1 𝐻𝐵1 1 𝑄2 𝐻𝐵2 2 𝑄1 𝑄2 𝐻𝐵𝑇𝑎𝑝 𝑎𝑝 55 𝑄1 1 𝑄2 2 𝑄1𝑄2 𝑎𝑝 portanto 𝑎𝑝 1 2 𝑄1𝑄2 1 𝑄1 2 𝑄2 Eq 39 352 Associação de Bombas em Série as Quando realizamos a interligação de saída ou recalque de uma bomba com a entrada de outra bomba teremos na saída recalque desta segunda a soma da altura manométrica que foi cedida a cada bomba HBTas por bomba interligada e que manterá a mesma vazão Qtas sendo portanto HBTas HB1bomba 01 HB2bomba 02 HBnbomba n Qtas Q1bomba 01 Q2bomba 02 Qnbomba n As curvas características desta associação são apresentadas na Figura 39 entre duas bombas de altura manométrica iguais e diferentes em série Figura 39 Curva de Associação de Bombas em Série de Vazões Iguais e Diferentes Fonte O autor Assim podemos definir seu rendimento as pela equação 40 conforme a seguir 𝑁𝐵1 𝑄1 𝐻𝐵1 1 𝑒 𝑁𝐵2 𝑄2 𝐻𝐵2 2 56 𝑄1 𝐻𝐵1 1 𝑄2 𝐻𝐵2 2 𝐻𝐵1 𝐻𝐵2 𝑄𝑡𝑎𝑠 𝑎𝑠 𝐻𝐵1 1 𝐻𝐵2 2 𝐻𝐵1𝐻𝐵2 𝑎𝑠 portanto 𝑎𝑠 1 2 𝐻𝐵1𝐻𝐵2 1 𝐻𝐵1 2 𝐻𝐵2 Eq 40 36 Cavitação em Bombas Denominamos de Cavitação o fenômeno em que o líquido atinge pressão inferior à pressão atmosférica Patm de tal maneira que se torna inferior à sua pressão de vapor Pv ou seja quando a pressão exercida por um vapor está em equilíbrio termodinâmico com o líquido que lhe deu origem assim a quantidade de líquido que evapora é a mesma que se condensa A pressão de vapor é uma medida da tendência de evaporação de um líquido Caso o líquido entre em ebulição à temperatura ambiente e transformase em vapor e receba um acréscimo de energia das pás do rotor tornando a pressão superior à pressão atmosférica Patm Nesse momento ocorre uma explosão de bolhas de vapor de curta duração mas de grande intensidade O efeito destas implosões são a erosão de partículas metálicas da cavidade de bombeamento e do rotor podem destruílo conforme observado na Figura 310 57 Figura 310 Exemplo de rotor cavitado Fonte HYDRO INNOVATIONS Disponível em httpsbitly369Cf2p Acesso em 24 set 2020 361 Como evitar o fenômeno da Cavitação Para que a cavitação não ocorra é necessário que NPSHd NPSHr Eq 41 3611 NPSHd Net Positive Suction Head ou Altura positiva líquida de sucção disponível Determinamos o NPSHd pela disponibilidade de energia com que o líquido entra na bomba dependendo Das condições locais Da temperatura do fluído Da cota m de instalação do eixo da bomba Característica das instalações da bomba Afogada e Não Afogada 58 Assim 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝐻𝑠 ℎ𝑓𝑠 ℎ𝑠𝑠 𝑃𝑣 Onde NPSHd Altura Positiva Líquida de Sucção Disponível 𝑃𝑎𝑡𝑚 1033 012 𝑐𝑜𝑡𝑎 𝑚 100 Hs Altura de Sucção hfs Perda de carga distribuída na sucção hss Perda de carga localizada na sucção Pv Pressão de Vapor A pressão de vapor pode ser obtida através de tabelas da temperatura do fluído escoado conforme a Tabela 31 abaixo Tabela 31 Pressão de Vapor x Temperatura Pressão de Vapor Pv x Temperatura ºC º C 0 10 20 40 60 100 Pv mca 0062 0125 0239 0753 2310 10330 Fonte Adaptado pelo autor 59 3612 NPSHr Net Positive Suction Head ou Altura positiva líquida de sucção requerida Referese ao limite de pressão de sucção no qual o desempenho em perda de carga total da bomba é reduzido em 3 devido à cavitação É a energia que deve estar disponível no interior da bomba para evitar a cavitação O NPSHr é fornecido pelo fabricante conforme a Figura 311 Figura 311 Curva de Desempenho de Bomba e NPSHr Fonte Catálogo KSB Etanorm SYT V Etabloc SYT EtanormRRSY p 41 adaptado pelo autor Conclusão Agora podemos dimensionar e aplicar as Máquinas Hidráulicas chamadas de Bombas nas mais diversas aplicações na área Ambiental desde complexos Sistemas de Abastecimento de Água como a elevação de água para uma simples residência 60 Não se esqueça que a escolha da Bomba a ser utilizada peloa Engenheiroa e o seu incorreto dimensionamento trará consequências graves durante a sua aplicação REFERÊNCIAS AZEVEDO NETTO J M Manual de Hidráulica São Paulo Edgar Blucher 1973 1977 1982 BISTAFA S R Mecânica dos Fluidos noções e aplicações São Paulo Edgar Blucher 2010 BRUNETTI F Mecânica dos Fluidos São Paulo Pearson Prentice Hall 2008 61 4 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA Uma das mais importantes tarefas da Engenharia é garantir o abastecimento de água potável para a população Mesmos atualmente no Brasil e no mundo essa ainda não é uma realidade para milhares de pessoas O simples gesto de abrir uma torneira ainda é desconhecido por muitas delas Neste bloco estudaremos os Sistemas de Abastecimento de Água e sua operação Também discutiremos brevemente o Controle de Perdas deste tão precioso líquido que é a água 41 Sistemas de Abastecimento de Água A água se constitui atualmente no fator limitante para o desenvolvimento agrícola urbano e industrial Para entender melhor este contexto tornase necessário relembrar alguns aspectos históricos Há mais ou menos trinta mil anos na era glacial o homem se agrupava em torno da água pois essa proximidade significava ter o que beber e a possibilidade de caçar os animais que vinham procurála Quando o acampamento ficava muito sujo a água contaminada e a comida escassa os líderes que cuidavam da saúde do grupo sugeriam ao chefe a mudança do acampamento Os grupos humanos eram nômades e mudavam dos lugares poluídos para os mais limpos na busca de novas oportunidades de caça e mais higiene principalmente para as crianças As primeiras culturas agrícolas e as cidades surgiram somente no final da última glaciação há 8 mil anos As cidades representam os acampamentos que se tornaram fixos Aqueles grupos humanos que souberam fazer o manejo adequado da água e com isso evitar as pestes e as doenças de origem hídrica fundaram as primeiras cidades Os demais pereceram ou continuaram nômades 62 Água e Cidades sempre andaram juntas e muito embora não existam problemas de escassez global de água alguns problemas locais já estão acontecendo pois este recurso é finito e praticamente constante durante os últimos 500 milhões de anos Sabese que 973 de toda água existente está contida nos oceanos e mares sob a forma de água salgada imprópria para consumo humano Outros 23 estão sob a forma de gelo restando 04 dos quais apenas 036 estão disponíveis em rios e lagos podendo ser utilizados pelo homem sem grandes despesas no tratamento Os demais 004 encontramse sob a forma de vapor dágua na atmosfera A escassez de água mundial apropriada para consumo humano é agravada em virtude da desigualdade social e da falta de manejo e usos sustentáveis dos recursos naturais De acordo com os números apresentados pela ONU Organização das Nações Unidas fica claro que controlar o uso da água significa deter poder As diferenças registradas entre os países desenvolvidos e os em desenvolvimento chocam e evidenciam que a crise mundial dos recursos hídricos está diretamente ligada às desigualdades sociais Segundo a Unicef Fundo das Nações Unidas para a Infância menos da metade da população mundial tem acesso à água potável A irrigação corresponde a 73 do consumo de água 21 vai para a indústria e apenas 6 destinase ao consumo doméstico Um bilhão e 200 milhões de pessoas 35 da população mundial não têm acesso a água tratada Um bilhão e 800 milhões de pessoas 43 da população mundial não contam com serviços adequados de saneamento básico A cada ano mais de 80 milhões de pessoas clamam por seu direito aos recursos hídricos Infelizmente quase todos os 3 bilhões ou mais de habitantes que devem ser adicionados à população mundial no próximo meio século nascerão em países que já sofrem de escassez de água Já nos dias de hoje muitas pessoas nesses países carecem do líquido para beber satisfazer suas necessidades higiênicas e produzir alimentos Numa economia mundial cada vez mais integrada pela Globalização a escassez de água cruza fronteiras podendo ser citado como exemplo o comércio internacional de grãos onde são necessárias 1000 toneladas de água para produzir uma tonelada de grãos sendo a importação de grãos a maneira mais eficiente para que os países com déficit hídrico importem também água A industrialização consome ainda mais água que a urbanização A afluência concentração populacional também gera demanda adicional à medida que as pessoas ascendem na cadeia alimentícia e passam a consumir mais carne bovina suína aves ovos laticínios e mais grãos CETESB sd s p 63 Assim o Brasil é um país privilegiado no que diz respeito à quantidade de água pois possui 12 da água doce do mundo Em contrapartida a concentração da população brasileira não se encontra nos locais onde a água pode ser facilmente captada e distribuída conforme a Tabela 41 Somandose este aspecto ao desperdício de água à poluição dos mananciais e ao crescimento desordenado dos grandes centros urbanos temos a equação que resulta nas atuais crises de abastecimento tornandose necessário cada vez mais a conscientização e uso racional da água Tabela 41 Distribuição de Água no Brasil Distribuição de Água no Brasil Região Norte 6850 Nordeste 330 Sudeste 600 Sul 650 CentroOeste 570 Fonte Dados ANA2019 adaptado pelo autor Pela importância às suas necessidades relacionadas à saúde e ao desenvolvimento agrícola e industrial uma das principais prioridades das populações é o atendimento por Sistema de Abastecimento de Água em quantidade e qualidade adequados A partir das Estações de Tratamento ETA a água é transportada através de grandes condutos as adutoras até os reservatórios que são grandes estruturas de concreto ou aço que armazenam uma quantidade de água suficiente para enfrentar as variações do consumo ao longo do dia Geralmente ao lado do reservatório existe uma estrutura elevada Torre para onde a água é bombeada a fim de abastecer as partes mais altas da região estas partes altas também podem ser abastecidas diretamente pelas bombas sem a necessidade da Torre ou pelos Booster Dos reservatórios e torres saem as tubulações das redes de distribuição que percorrem todas as ruas do Setor de Abastecimento para permitir a ligação dos consumidores ao sistema de abastecimento de água Toda a rede que está vinculada a um reservatório constitui portanto um Setor de Abastecimento de Água Um setor geralmente é compartimentado em 64 zonas de pressão associadas à situação topográfica da região zona alta zona baixa zona de coroa etc As tubulações que compõem a rede de distribuição podem ter funções e arranjos físicos distintos sendo que as tubulações primárias são aquelas de maiores dimensões das quais saem as linhas secundárias estas apresentam diâmetros de 75 mm e 100 mm e suprem os ramais dos consumidores Em relação ao arranjo físico as redes de distribuição podem ser Ramificadas uma linha primária vai distribuindo água em um único sentido de alimentação também chamadas de espinha de peixe Malhadas as linhas primárias em geral constituem anéis onde se interconectam as linhas secundárias o sentido de escoamento é variável em função das condições locais das demandas Mistas representam uma combinação das redes ramificadas e malhadas A ligação dos consumidores à rede é constituída por um ramal predial e um cavalete no qual é instalado um hidrômetro que mede o consumo de água do imóvel Nos ramais prediais mais recentes os tubos utilizados são feitos de material plástico flexível denominado POLIETILENO PE Os materiais mais comuns utilizados nas redes de distribuição dos sistemas de abastecimento de água são o ferro fundido o PVC e atualmente o PEAD Os tubos comercializados têm comprimento de 6 m garantindose a continuidade no assentamento através de juntas Nos tubos de ferro fundido e de PVC a junta mais comum empregada nas redes de distribuição é a ponta e bolsa com junta elástica para a instalação de alguns equipamentos como válvulas COSTA 2011 P 2225 Para atender a esta necessidade são diversos os componentes do Sistema de Abastecimento de Água que veremos a seguir 42 Classificação dos Sistemas de Abastecimento Podemos classificar os Sistemas de Abastecimento de Água de modo geral apesar de possuírem concepções muito variáveis Estas concepções dependem de fatores como posição e distância em relação ao manancial de captação topografia e demanda de consumo De uma forma geral podemos classificálo como 65 421 Manancial É o corpo de água superficial ou subterrâneo de onde é retirada a água para o abastecimento Deve fornecer vazão suficiente para atender a demanda de água no período de projeto e a qualidade dessa água deve ser adequada sob o ponto de vista sanitário Seguem os tipos de mananciais Manancial superficial corresponde às águas de cursos dágua córregos ribeirões rios lagos e represas conforme a Figura 41 Manancial subterrâneo corresponde às águas que provêm do subsolo para a superfície através de nascentes minas etc ou poços rasos poços profundos e galerias de infiltração conforme a Figura 42 Figura 41 Manancial Superficial Fonte O autor 66 Figura 42 Manancial Subterrâneo Fonte O autor 422 Captação Conjunto de estruturas e dispositivos construídos ou montados junto ao manancial para a retirada de água destinada ao sistema de abastecimento A Figura 43 apresenta uma EEA e uma caixa de captação de água bruta Figura 42 Captação de Água Bruta Fonte O autor 67 423 Adutora É a tubulação que transporta a água que vem dos mananciais captação para a estação de tratamento de água Pode ser classificada em alguns tipos Por gravidade acontece quando a movimentação da água é realizada pela ação de uma força natural gravidade correndo de um ponto mais alto para um ponto mais baixo Por recalque acontece quando a movimentação da água não pode ser realizada por ação da força da gravidade situação normalmente encontrada quando o local da captação está num nível mais baixo do que o do reservatório Nesse caso há necessidade do emprego de bombas estação elevatória Mista acontece quando a movimentação da água se dá parte por gravidade e parte por recalque As adutoras podem chegar a grandes diâmetros até 2000 mm para grandes cidades mas em sua grande maioria são tubulações entre 100 mm e 300 mm conforme a Figura 44 Figura 44 Adutora por Recalque e chegada a ETA Fonte O autor 68 424 Estação de tratamento de água ETA São os conjuntos de unidades destinado a tratar a água bruta de modo a adequar as suas características aos padrões de potabilidade água apropriada ao consumo humano conforme as Figuras 45 e 46 Figura 45 Decantador ETA ABV Fonte O autor Figura 46 ETA Campo Limpo Fonte O autor 69 425 Reservatórios Local do sistema de distribuição de água com infraestrutura e equipamentos específicos para acumular a quantidade de água necessária para abastecer um setor de abastecimento de onde a mesma é enviada para os consumidores Os tipos de reservatórios de distribuição de um setor de abastecimento são Reservatório apoiado ou principal sua função é a de distribuir a água tratada para a maior parte do setor de abastecimento contemplada geralmente pelas regiões de topografia mais baixa conforme a Figura 47 Reservatório elevado ou torre sua função é a de distribuir a água tratada para a área do setor de abastecimento constituída pelas regiões de topografia mais alta de acordo com a Figura 48 Figura 47 Reservatório Apoiado Fonte O autor 70 Figura 48 Reservatório Elevado Fonte O autor 426 Setor de Abastecimento É o setor contemplado com redes de distribuição as quais por sua vez são abastecidas por um determinado reservatório Um setor geralmente é compartimentado em zonas de pressão associadas à situação topográfica da região zona altazona baixa Também pode abrigar em sua área estações elevatórias de água boosters eou VRPs 427 Rede de distribuição Parte do sistema de abastecimento de água formada de tubulações e interferências destinada a colocar água potável à disposição dos consumidores de forma contínua em quantidade e pressão recomendada A rede de distribuição pode estar instalada em zonas de pressão conforme segue 71 Zona baixa é a área de influência de uma região cuja água tratada é enviada pelo reservatório apoiado principal para consumo da população Zona alta é a área de influência de uma região cuja água tratada é enviada pelo reservatório elevado torre para o consumo Essa divisão traz benefícios tais como padronização da pressão na rede mantendoa dentro de limites aceitáveis evitando assim altas pressões nas zonas mais altas 428 Estação Elevatória de Água EEA São os conjuntos de obras e equipamentos destinados a recalcar a água para a unidade seguinte Em sistemas de abastecimento de água geralmente há várias estações elevatórias tanto para o recalque de água bruta como para o recalque de água tratada Também é comum a estação elevatória tipo booster que se destina a aumentar a pressão eou vazão em adutoras ou redes de distribuição de água 4281 Booster Tratase de um conjunto motobomba inserido na tubulação da rede de distribuição de água destinado ao aumento da pressão ou da vazão para o abastecimento de regiões mais altas ou remotas até então com problemas de abastecimento 72 Figura 49 Exemplo de Booster Fonte O autor 429 Válvulas Redutoras de Pressão VRP Dispositivo destinado à diminuição da pressão ou vazão instalado nas redes de distribuição de água para adequação das pressões de operação protegendo as redes de abastecimento de regiões mais baixas da ocorrência de arrebentamentos das redes de distribuição Figura 410 Exemplo de Booster Fonte O autor 73 43 Dimensionamento de Redes de Abastecimento de Água Segundo a NBR 12218 entendese por rede de distribuição o conjunto de peças especiais destinadas a conduzir a água até os pontos de tomada das instalações prediais ou os pontos de consumo público sempre de forma contínua e segura Destacamse as tubulações principais alimentadas diretamente pelo reservatório de montante ou pela adutora em conjunto com o reservatório de jusante das quais partem as tubulações que se distribuem pelas diversas artérias da cidade Figura 411 Sentido do escoamento das tubulações Fonte O autor As redes são consideradas pelo sentido de escoamento da água nas tubulações secundárias ramificadas ou malhadas Podem distribuir exclusivamente potável rede única ou também água imprópria para beber rede dupla Podem situarse em níveis diferentes nas cidades acidentadas bem como possuir duas tubulações nas ruas largas ou tráfego intenso 74 431 Traçado das Redes de Abastecimento Nas redes de distribuição distinguemse dois tipos de condutos Condutos principais também chamados tronco ou mestres são as canalizações de maior diâmetro responsáveis pela alimentação dos condutos secundários A eles interessa portanto o abastecimento de extensas áreas do setor de abastecimento Condutos secundários de maior diâmetro são os que estão intimamente em contato com os prédios a abastecer e cuja alimentação depende diretamente deles O traçado das redes principais devemos tomar em consideração Ruas sem pavimentação Ruas com pavimentação menos onerosa Ruas de menor intensidade de trânsito Proximidade de grandes consumidores Proximidade das áreas e de edifícios que devem ser protegidos contra incêndio 432 Tipos principais de redes Em geral podem ser definidos três tipos principais de redes de distribuição conforme a disposição dos seus condutos principais sendo a Rede em espinha de peixe em que os condutos principais são traçados a partir de um conduto principal central com uma disposição ramificada que faz jus aquela denominação É um sistema típico de setores que apresentam desenvolvimento linear pronunciado na Figura 412 75 Figura 412 Arranjo da Rede de Abastecimento em Espinha de Peixe Fonte O autor b Rede em grelha em que os condutos principais são sensivelmente paralelos ligamse em uma extremidade a um conduto principal e têm os seus diâmetros decrescendo para a outra extremidade conforme Figura 413 Figura 413 Arranjo da Rede de Abastecimento em Grelha Fonte O autor c Rede malhada em que os condutos principais formam circuitos fechados nas zonas principais a serem abastecidas resulta a rede de distribuição tipicamente malhada É um tipo de rede que geralmente apresenta uma eficiência superior aos dois anteriores conforme Figura 414 76 Figura 414 Arranjo da Rede de Abastecimento em Malha Fonte O autor Nos dois tipos de redes a circulação da água nos condutos principais se faz praticamente em um único sentido Uma interrupção acidental em um conduto mestre prejudica sensivelmente as áreas situadas à jusante da seção onde ocorrem o acidente Na rede em que os condutos principais formam circuitos ou anéis a eventual interrupção do escoamento em um trecho não ocasionará transtornos de manter o abastecimento das áreas à jusante pois a água efetuará um caminhamento diferente através de outros condutos principais 433 Método do seccionamento Este método é aplicável às redes ramificadas ou malhadas transformadas por um artifício seccionamentos fictícios em ramificadas Em geral adotado para pequenos setores de abastecimento Calculase para cada trecho a vazão de montante somandose a vazão de jusante com a distribuição em marcha O cálculo é iniciado nos trechos seccionados ou de extremidade livre uma vez que neles a vazão de jusante é conhecida e igual a zero A vazão de distribuição em marcha é obtida multiplicase o comprimento do trecho pela vazão unitária de distribuição expressa em litros por segundo e por metro Por sua vez a vazão fictícia de dimensionamento é a semissoma de jusante e de montante A vazão de jusante quando diferente de zero é igual a soma das vazões de montante dos trechos alimentados pelo trecho em estudo sendo 77 𝑞 𝑄𝑚𝑎𝑥 𝐿 Eq 42 Onde q Vazão específica de distribuição Lsm Qmax Vazão máxima horária Ls L Comprimento da Tubulação m Soma algébrica das perdas de carga deve ser nula 𝐻𝑇𝑓 0 Eq 43 434 Método de Hardy Cross Este método é aplicável em geral para setores médios e grandes É um método iterativo e que se caracteriza pela hipótese de abastecimento da área através de anéis ou malhas formados pelas redes principais e pelas seguintes regras básicas Em um nó qualquer Q 0 sendo positivas as vazões afluentes e negativas as vazões efluentes Em um anel circuito qualquer 𝐻𝑇𝑓 0 sendo positivas as perdas de carga coincidentes e negativas as contrárias a um prefixado sentido de caminhamento A forma de se calcular por este método deve obedecer a seguinte sequência a Traçado dos anéis b Pontos de carregamento das vazões 78 c Sentido de escoamento d Conhecidos os pontos de entrada e saída das vazões e Estabelecese uma primeira distribuição de vazões f Em cada nó 𝑄 0 g Adotase um diâmetro para cada trecho do anel h Se nos anéis a 𝐻𝑇𝑓 0 a rede está equilibrada i Se nos anéis a 𝐻𝑇𝑓 0 a vazão deve ser corrigida utilizando a equação 44 𝑄 𝑟𝑄𝑛 𝑛 𝑟𝑄𝑛 𝑄 Eq 44 j Com as novas vazões recalculamse as perdas de carga k Prosseguese os cálculos até obter ΔQ pequenos ou nulos 44 Operação de Sistemas de Abastecimento de Água Os problemas mais comuns na operação do sistema de abastecimento de água são a Falta dágua decorrente da insuficiência de oferta de água de tubulações subdimensionadas ou entupidas e devido a manutenções do sistema de abastecimento de água 79 b Arrebentamentos que são acidentes motivados pelo rompimento das tubulações geralmente com grandes vazões de perda e com riscos ao patrimônio c Vazamentos que representam falhas nas junções dos tubos trincas ou perfurações que ocasionam a perda de água através de fluxos contínuos que podem ou não aflorar à superfície do terreno d Baixa pressão motivada por insuficiência ou entupimento das tubulações bem como situações topográficas adversas pontos altos podendo ocasionar falta dágua nas edificações pelo fato de não se conseguir atingir as caixas dágua domiciliares e Alta pressão que geralmente ocorre nos pontos baixos da rede próximos aos córregos e fundos de vale facilita o surgimento de arrebentamentos aumenta a perda por vazamentos e muitas vezes danifica as boias das caixas dágua domiciliares f Água suja decorrente de problemas de corrosão das tubulações de ferro fundido que tornam a água com coloração vermelha e dificultam o seu uso Análises sanitárias devem dizer se a água é própria ou imprópria ao consumo humano Pode haver casos em que ocorre infiltração de esgotos ou outros produtos indesejáveis na rede de distribuição de água através de pontos de vazamentos quando há despressurização das tubulações bem como nas manutenções executadas sem os cuidados necessários 80 45 Tipos de Modelagem de Sistemas de Abastecimento de Água Como estudado os Sistemas de Abastecimento de água consistem em um conjunto de tubulações conexões reservatórios e bombas hidráulicas e tem o objetivo de atender um setor dentro das condições sanitárias de vazão e pressão exigidas por norma Uma das partes mais importantes desse sistema são as redes de distribuição Elas têm a função de levar água potável até às instalações residenciais onde estão o cavalete e o hidrômetro e para os consumidores As redes de distribuição são estruturas tipicamente enterradas o que dificulta sua inspeção física Por isso os comportamentos desses sistemas não são facilmente perceptíveis de forma direta Geralmente os usuários ou a concessionária percebem os problemas através de sintomas exteriores como a baixa pressão faltas de água e até mesmo pela coloração da água conforme vimos nas operações dos Sistemas de Abastecimento A necessidade de portanto de ferramentas e tecnologias que melhorem está gestão dos sistemas de distribuição já que as inspeções diretas são onerosas Hoje em dia a utilização de softwares como ferramenta de gestão operacional de sistemas de distribuição de água tem se tornado cada vez mais frequente Eles possibilitam uma visão sistêmica do abastecimento de água e um acompanhamento contínuo dos parâmetros hidráulicos 81 451 Aplicação do Modelos Hidráulicos Dentre as suas principais aplicações podemos citar Suporte a um plano de Combate as Perdas Estudo de reabilitação de redes existentes Estudos de combate a incêndio Verificação da qualidade da água distribuída Suporte à setorização operação e expansão das redes de abastecimento Eficiência energética dos conjuntos elevatórios de água Estudo de demandas sazonais Dos modelos mais utilizados podemos destacar o EPANET e o WaterCad observe a Figura 415 Figura 415 Exemplo de modelagem com EPANET Fonte O autor 82 46 Controle de Perdas em Sistemas de Abastecimento de Água Para um efetivo combate às perdas nos sistemas de abastecimento são necessárias ações que visem não somente atacar o problema mas as causas destes através de uma gestão que busque a Eficiência Operacional de todo o sistema Nos Sistemas de Tratamento e Distribuição de Água como em qualquer indústria de transformação existem perdas em algumas fases do processo Desde a captação até o consumidor final existem vários tipos de perdas geradas em sua maioria por manutenções operações aplicação de materiais e tecnologias inadequadas Além de causarem problemas de abastecimento e prejudicarem a imagem das Companhias de Saneamento as perdas estão vinculadas a sua eficiência operacional servindo de parâmetro para a busca de investimentos juntos as entidades financiadoras além de causar impactos ambientais Podemos definir as perdas nos sistemas de abastecimento como a diferença entre o volume produzido VD e o volume utilizadomedido VU COSTA 2009 sp Podemos ainda classificar as perdas em dois diferentes tipos a Perdas Reais que representam os volumes efetivamente perdidos no sistema através de vazamentos ou extravasamentos de reservatórios COSTA 2009 sp conforme a Figura 416 Figura 416 Exemplo de Perdas Reais Vazamento Fonte O autor 83 b Perdas Aparentes que representam os volumes consumidos e não medidosfaturados e desvios de medições como as fraudes nos sistemas e erros de medições de hidrômetros e macro medidores COSTA 2009 sp conforme a Figura 417 Figura 417 Exemplo de Perdas Aparentes Fraudes Fonte O autor 461 Atacar as causas e não as consequências Devemos nos fazer a seguinte pergunta Por que nossas redes de abastecimento vazam Muitas vezes o aumento da quantidade de vazamentos está diretamente ligado à variação de pressão e está variação não são necessariamente decorrentes apenas da topografia ou do próprio sistema mas sim de manutenções realizadas Portanto a utilização de válvulas redutoras de pressão vem sendo um eficiente método para sanar estes problemas A integração entre as campanhas de geofonamento pesquisas de vazamentos e a regulagem das válvulas garante uma maior proteção ao sistema como um todo 84 Porém não podemos nos esquecer que a variação de pressão é apenas uma das causas destas ocorrências Como portanto podemos classificar e entender esta dinâmica Uma das formas mais simples são o acompanhamento e registro das execuções de reparos realizadas A amostragem destas ocorrências serve de diagnóstico ou indicadores destas possíveis causas O gráfico abaixo representa o resultado do acompanhamento dos reparos realizados Se a maior das ocorrências por exemplo forem furos no tubo podemos citar entre as possíveis causas Material utilizado Profundidade inadequada Idade da ligação Mudança de tráfego Tipo do solo e aterro Execução e manutenções anteriores Da mesma forma devemos refazer a pergunta nas ações comerciais Tenho medido todo o volume entregue ao sistema O acompanhamento das leituras realizadas a idade do parque de hidrômetros e se suas classes estão corretamente empregadas são parâmetros necessários de investigação Além disso muitas Companhias de Saneamento sofrem com as fraudes e furtos de seus sistemas decorrentes de problemas sociais Uma boa gestão com o cruzamento destas informações ou o direcionamento de ações conjuntas de trocas de hidrômetros supressões de fraudes encontradas e a regularização de ligações são práticas adotadas COSTA 2009 p 2123 Adaptado 462 Medir para controlar Só podemos controlar aquilo que medimos Esta afirmação se torna ainda mais verdadeira quando tratamos de indicadores de perdas O resultado das ações de perdas tanto reais quanto aparentes devem se somar para a diminuição do volume perdido VD VU O grande desafio está em separar destas parcelas quais as contribuições que mais tiveram relevância nesta diminuição Uma das soluções é a utilização do chamado Balanço Hídrico que procura decompor do volume entregue VD todas as parcelas medidas e estimadas de forma a separar seus volumes O indicador de perdas utilizado atualmente é a divisão do volume perdido VDVU pelo número de ligações por dia litrosligaçãodia o que torna a comparação mais eficaz do que o indicador percentual volume perdidovolume produzido 85 Outra forma de acompanhamento é a vazão mínima noturna que está mais relacionada às ações de perdas reais visto que a diminuição dos volumes perdidos pelos vazamentos insere diretamente em sua composição Além disso a utilização de gráficos de controle onde depois de estabelecidos os parâmetros de máxima e mínima gráficos de Pareto fator de pesquisa noturna QminnoturnaQmédia são essenciais não somente para o acompanhamento das ações empregadas como para o direcionamento e ajuste das metas estabelecidas O emprego de ferramentas de qualidade como o PDCA Plan Do Check Action completam o círculo das ações integradas a serem adotadas Porém cabe ressaltar que existem diversas dificuldades na obtenção muitas vezes destes parâmetros como por exemplo a falta de uma boa medição dos volumes macro medidos ou entregues o que comprometem todo o estudo e acompanhamento no seu início Outro exemplo e a dificuldade de calcularmos os chamados Volumes Sociais que são as parcelas consumidas e não faturadas em áreas irregulares ou mesmo a submedida que ocorre aos hidrômetros pelo efeito caixa dágua COSTA 2009 p 23 24 463 Eficiência Operacional Podemos então afirmar que na verdade o controle das perdas está associado a uma boa eficiência da operação do todo o sistema visto que a mesma é o resultado da ineficiência não somente de programas de manutenção ativas ou preventivas ou mesmo em relação à gestão das ligações e medidores existentes Podemos atribuir duas classificações a esta prática a Eficiência operacional das redes de distribuição são ações que contribuem na eficácia da distribuição da água deste a captação até a entrega as ligações Devemos manter programas de acompanhamento desde a reservação com o monitoramento de válvulas de controle impedindo extravasamentos ou fugas por problemas estruturais A grande parcela das perdas reais no entanto se dá na distribuição da água através das tubulações enterradas Muitos vazamentos não afloram a superfície sendo então necessárias medidas de controle como a detecção de vazamentos pelos métodos acústicos com utilização de hastes de escutas geofones correlacionadores de ruídos Porém campanhas de detecção devem ser planejadas de maneira a se tornarem uma rotina nas áreas de manutenção visto que é a única forma de controle preventivo pois as localizações dos vazamentos antes de seu afloramento diminuem a quantidade de reclamações dos clientes e melhoram a imagem das Companhias de Saneamento além de serem estes os que representam os maiores volumes perdidos Como preconizado no início estas ações devem estar atreladas a medidas que minimizem as causas destas ocorrências A instalação de válvulas 86 redutoras de pressão VRP setorização variadores de frequência em Booster diminuem e equalizam as pressões Equipes de execução treinadas utilizando materiais e técnicas adequadas nas manutenções corretivas e preventivas diminuem significativamente a recorrência de novos vazamentos Muitas vezes medidas de troca da infraestrutura mesmo que parcialmente como as das ruas identificadas com maior incidência se tornam em médio prazo economicamente viáveis A divisão dos setores de abastecimento em áreas de controle menor facilita o diagnóstico e o acompanhamento dos indicadores além de facilitarem as manobras muitas vezes também responsáveis pela perda de volumes consideráveis através de descargas ou dificuldade de estancar as redes A implantação de microzonas de manobra vem sendo adotada no intuito de minimizar este problema A atualização cadastral também tem sua relevante parcela ainda mais associada ao georreferenciamento e digitalização das informações facilitando e promovendo a confecção de mapas temáticos como áreas com maior incidência de vazamento em rede b Eficiência comercial e metrológica são ações que contribuem na eficácia das medições dos micromedidores até o faturamento e dos macromedidores Devemse adotar políticas de calibração e acompanhamento constante de todo o volume capitado e entregue ao sistema pelos diversos equipamentos existentes hidrômetros medidores venturis eletromagnéticos garantindo que os erros estejam dentro da faixa dimensionada Cabe ressaltar a importância destas medições pois toda a base de cálculo dos indicadores de perdas se dá a partir destes volumes A micromedição por sua vez é caracterizada por diversos parâmetros de controle ou gestão Podemos classificálos como Metrológicos referentes às ações que envolvem os equipamentos de medição instalados As trocas de hidrômetros podem ocorrer pela idade da instalação defeitos apresentados mudanças de categoria ou classe Por se tratar na sua grande maioria de medidores velocímetros podem sofrer uma submedida através do efeito caixa dágua que são as vazões abaixo das mínimas medidas causadas pelas boias no enchimento destes reservatórios Portanto um eficiente acompanhamento dos cadastros comerciais as trocas preventivas e corretivas garante a qualidade do registro dos volumes consumidos Registro dos volumes as leituras são realizadas de forma visual através de visitas periódicas a cada medidor Além de geraram um volume considerável de informações sofrem problemas de qualidade pela dificuldade de leitura em alguns pontos Leituras pela média ou errada podem trazer consequências desastrosas não somente as Companhias de Saneamento 87 como a seus clientes Porém podem servir de indicadores de eventuais problemas como fraudes e regularização de cavaletes Combate às fraudes o combate às fraudes se dá através de vistorias das ligações ativas e inativas do sistema Políticas de supressão devem ser implementadas de forma a moralizar e minimizar sua ocorrência Volumes não autorizado volume social áreas invadidas onde não é permitida a regularização ou implantação de redes de abastecimento onde as ligações clandestinas se proliferam é uma das grandes questões ainda a serem discutidas Nestes locais temos uma característica singular de perdas pois além do consumo desta água existem vários vazamentos em suas precárias ligações ocasionando um volume perdido maior Uma das formas que podem vir a ser adotadas e discutidas é a medição através de um macro medidor instalado a montante da área registrandose e contabilizando assim esses volumes Outras medidas ainda merecem ser mencionadas como a política de atuação a grandes consumidores fabricas comércios e campanhas de fidelização de clientes Como no acompanhamento das perdas reais as ações de perdas aparentes devem ser subdivididas em blocos de leituras rotas ou setores para que se possa melhor acompanhar os históricos de variação sejam elas por motivo sazonal ou outros problemas como a saída de um grande consumidor daquela rota ou muitas leituras pela média COSTA 2009 p 2426 Conclusão Finalizamos nossos estudos nos Sistemas de Abastecimento de Água e verificamos o quanto é complexo o ato de conduzir água potável aos inúmeros consumidores Apresentamos as formas simplificadas de cálculo para o seu dimensionamento e entendemos seus parâmetros de operação Por fim discutimos os Conceitos de Perdas em Sistemas de Abastecimento nos quais é possível verificar que cada gota recuperada faz a diferença quando falamos de grandes metrópoles Agora iremos recolher estes efluentes e iniciar os estudos em Sistemas de Esgotamento Sanitário 88 REFERÊNCIAS AZEVEDO NETTO J M Manual de Hidráulica São Paulo Edgar Blucher 1973 1977 1982 BISTAFA S R Mecânica dos Fluidos noções e aplicações São Paulo Edgar Blucher 2010 BRUNETTI F Mecânica dos Fluidos São Paulo Pearson Prentice Hall 2008 CETESB O problema da escassez de água no mundo Disponível em httpsbitly2Ez0bAO Acesso em 24 set 2020 COSTA R F A gestão de controle de perdas E a busca da eficiência operacional E energética In Revista SANEAS SABESP Ano X Nº 33 Abril Maio Junho 2009 Métodos e Aplicações de Técnicas de Locações de Vazamentos não Visíveis em Sistemas de Abastecimento de Água Dissertação de Mestrado Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza São Paulo 2011 89 5 SISTEMAS DE ESGOTAMENTO SANITÁRIO Um dos grandes desafios da Engenharia Ambiental são os Sistemas de Esgotamento Sanitários visto que ainda possuímos uma baixa taxa de recolhimento destes efluentes e uma taxa menor ainda de tratamento Além disso interligações e escolhas do Sistema Separador contribuem negativamente para que a recuperação de córregos e rios aconteçam pelo escoamento de esgoto in natura nas redes de Drenagem que estudaremos a seguir Vamos também aprender a classificação das Águas de Reuso e sobre a Poluição Difusa Portanto vamos manter nossa visão técnica e encontrar as melhores soluções para reverter esta importante situação 51 Sistemas de Esgotamento Sanitário Definimos o esgotamento sanitário conforme a NBR 8160 como o despejo líquido constituído de esgotos doméstico e industrial água de infiltração e a contribuição pluvial Nesta mesma norma definese ainda Esgoto doméstico efluente gerado pela utilização de higiene e uso doméstico Esgoto industrial efluente gerado pelas industriais e afins Água de infiltração contribuição indesejável de água que infiltra nas tubulações de esgoto Contribuição pluvial águas pluviais indevidamente direcionadas as redes de esgotamento Segundo Araújo 2011 o esgoto doméstico é gerado a partir da água de abastecimento e portanto sua medida resulta da quantidade de água consumida Esta é geralmente expressa pela taxa de consumo per capita variável segundo hábitos e 90 costumes de cada localidade É usual a taxa de 200 Lhabdia mas em grandes cidades de outros países essa taxa de consumo chega a ser 3 a 4 vezes maior resultando num esgoto mais diluído já que é praticamente constante a quantidade de resíduo produzido por pessoa O Sistema de esgotamento utilizado no Brasil e o Separador Absoluto onde as águas residuárias domésticas e industriais e águas de infiltração águas do subsolo que penetram no sistema de tubulações e acessórios são conduzidas por uma rede de distribuição enquanto as águas pluviais são drenadas por outra rede independentes entre si São várias as críticas a este tipo de solução visto que as águas pluviais muitas vezes estão interligadas nas redes de esgoto e viceversa causando danos de mistura de esgoto nas redes pluviais que desaguam nos córregos e rios e há o aumento da vazão de chegada dos esgotos nas Estações de Tratamento em dias de chuva devido a estas interligações conforme a Figura 51 Figura 51 Sistema de Esgotamento Separador Absoluto Fonte O autor 91 Os outros sistemas existentes são Sistema de Esgotamento Unitário Sistemas de Esgotamento Separador Parcial O escoamento das redes de esgoto na maioria das vezes são lançados em águas naturais como cursos dágua lagos ou mesmo o oceano porém pode também ser o solo convenientemente preparado para receber a descarga efluente do sistema As consequências ecológicas de tal descarga serão expostas e analisadas bem como a necessidade de condicionamento prévio do esgoto sanitário lançado A esse destino se dá a denominação de corpo receptor Desta forma as redes de esgotos do sistema separador absoluto são projetadas para receber as vazões máximas decorrentes do uso da água nas áreas edificadas acrescidas de contribuições indevidas Estas contribuições indevidas podem ser originárias do subsolo terreno ou podem provir de encaminhamento acidental ou clandestino de águas pluviais A avaliação das duas parcelas é importante para o perfeito dimensionamento do sistema 511 Infiltrações nos Sistemas de Esgotamento Sanitário Denominamos as contribuições provenientes do subsolo que são genericamente designadas como infiltrações e incluem Águas que penetram nas tubulações através de juntas Águas que penetram nas canalizações através de imperfeições das paredes dos condutos Águas que penetram no sistema através das estruturas de poços de visita estações elevatórias entre outras 92 As infiltrações além de dependerem muito dos materiais empregados no sistema e dos cuidados no assentamento dos tubos dependem também de características relativas ao meio nível do lençol freático material do solo permeabilidade etc Nas áreas litorâneas com lençol dágua a pequena profundidade e terrenos arenosos as condições são mais propícias à infiltração Em contraposição nas regiões altas com lençol freático mais profundo e em solos argilosos a infiltração tende a ser menor A própria vala para assentamento dos tubos posteriormente aterrada altera as características de compacidade e impermeabilidade do solo original e passa a constituir um caminho de menor resistência à percolação de águas infiltradas que atingindo o tubo escoam ao longo de sua superfície externa até encontrar a falha que permita a penetração As juntas de tubulações de mau tipo ou de má execução são falhas responsáveis por infiltrações consideráveis Já as infiltrações através de paredes de poços de visita têm sido atenuadas em novos tipos e projetos estruturas de concreto e no caso tradicional de poços de alvenaria de tijolos por revestimentos impermeabilizantes externos e internos Alguns dispositivos construídos oferecem melhor resistência à penetração de águas externas 512 Importância das ligações prediais e os Impactos Ambientais Os impactos Ambientais causados pela falta de ligações dos domiciliares industriais e afins causam um grande impacto não somente de ordem Ambiental mas é um problema de saúde pública sendo foco de diversas doenças de vinculação hídrica além disso sabemos que nos sistemas de esgotos a extensão integrada dos coletores prediais é muitas vezes maior do que a extensão total da rede de esgotos Porém na maioria das vezes a execução dos coletores prediais não é tão cuidadosa como a construção da rede pública Além disso as ligações entre os coletores prediais e os coletores públicos têm sido com frequência um ponto fraco destas instalações Admitese por isso que uma grande parte das infiltrações se realiza através das ligações de esgotos e dos coletores prediais 93 A Figura 52 apresenta um destes tão graves aspectos apresentando o esgotamento em uma vala Figura 52 Vala Irregular de Esgotamento Sanitário Fonte O autor Podemos então elencar que as principais finalidades na implantação de um sistema de esgotamento sanitário dizem respeito a três aspectos a Saúde o objetivo é a prevenção o controle e a erradicação das muitas doenças de veiculação hídrica responsáveis por altos índices de mortalidade precoce mormente de mortalidade infantil um dos melhores e mais sensíveis índices do 94 estado da saúde pública Nesse sentido o sistema promove o afastamento rápido e seguro e o tratamento do efluente a ser lançado nos corpos receptores naturais b Social o objetivo visa a melhoria da qualidade de vida da população através da eliminação ligações clandestinas bem como a recuperação córregos e rios e de suas margens para a prática de recreação esportes e lazer c Aspecto econômico o objetivo envolve questões como o aumento da produtividade geral em particular das produtividades industrial e agrícola devido à melhoria ambiental tanto urbana como rural à proteção aos rebanhos e à maior eficiência de trabalhadores mais saudáveis Também questões ecológicas relativas a fauna e a flora terrestre ou aquática se refletem na economia geral pela preservação dos recursos hídricos e das terras marginais a jusante para sua plena utilização no desenvolvimento humano considerados aí todos os usos econômicos da água abastecimento irrigação geração de energia navegação dessedentação de rebanhos esportes lazer e outros todos eles inviabilizados pelo lançamento indiscriminado do esgoto sanitário nas águas ou no próprio solo 52 Redes Coletoras de Esgoto Definimos as redes coletoras como o conjunto de canalizações destinadas a receber e conduzir os esgotos sanitários sendo dividida em Coletores prediais liga diretamente na rede coletora por uma tubulação chamada de coletor predial Coletor de esgoto ou rede de esgoto tubulação da rede coletora que recebe contribuição de esgoto dos coletores prediais em qualquer ponto ao longo de seu comprimento 95 Coletor principal coletor de esgoto de maior extensão dentro de uma mesma bacia Coletor tronco tubulação da rede coletora que recebe apenas contribuição de esgoto de outros coletores Acessórios dispositivos fixos desprovidos de equipamentos mecânicos Podem ser poços de visita PV tubos de inspeção e limpeza TIL terminais de limpeza TL e caixas de passagem CP A Figura 50 apresenta um Poço de Visita Figura 53 Poço de Visita Fonte O autor Interceptores são as tubulações que recebe coletores ao longo de seu comprimento não recebendo ligações prediais diretas 96 Emissário são as grandes tubulações destinadas a conduzir os esgotos a um destino conveniente ETE eou lançamento sem receber contribuições em marcha Sifões invertidos e passagens forçadas são definidos como trechos com escoamento sob pressão cuja finalidade é transpor obstáculos depressões do terreno ou cursos dágua rebaixados sifões ou sem rebaixamento passagens forçadas Estações elevatórias de esgoto EEE instalações que se destinam ao transporte de esgoto do nível do poço de sucção das bombas ao nível de descarga na saída do recalque acompanhando aproximadamente as variações da vazão afluente Elevatórias são utilizadas no sistema de esgoto sanitário nos seguintes casos i Na coleta quando é necessária a elevação do esgoto para permitir a ligação ao coletor de esgoto no caso de soleiras baixas nos terrenos com caimento para o fundo do lote ou pisos abaixo do greide da rua ii Na rede coletora como alternativa ao aprofundamento excessivo e antieconômico dos coletores de esgoto iii No transporte nos casos de redes tipo distrital e de redes novas em cotas inferiores às da rede existente ou no caso de transposição de bacias na rede distrital característica de áreas planas são criados pontos de concentração com elevatórias para a transposição do esgoto para um único lançamento para uma Estação de Tratamento de Esgoto ETE iv No tratamento ou disposição final para alcançar cotas compatíveis com a implantação da ETE ou com os níveis do corpo receptor Corpo receptor é qualquer corpo de água natural ou solo que recebe o lançamento de esgoto em estágio final 97 53 Estações de Tratamento de Esgoto ETE Conforme a NBR 12209 definimos uma Estação de Tratamento de Esgotos como o conjunto de técnicas associadas a unidades de tratamento equipamentos órgãos auxiliares canais caixas vertedores tubulações e sistemas de utilidades água potável combate ao incêndio distribuição de energia drenagem pluvial cuja finalidade é a redução das cargas poluidoras do esgoto sanitário e condicionamento da matéria residual resultante do tratamento As Estações de Tratamento de Esgoto mais comumente conhecidas através da sigla ETE são unidades operacionais do sistema de saneamento que especificamente recebem as cargas poluentes do esgoto e devolvem o efluente tratado a corpos dágua como rios reduzindo os eventuais impactos ambientais que poderiam ser causados sem o devido tratamento além de receber a destinação correta dos efluentes gerados pelas indústrias FOCO MEIO AMBIENTE sd sp Entre seus componentes podemos citar Gradeamentos etapa inicial onde resíduos sólidos maiores gradeamento grosso e resíduos sólidos menores gradeamento fino são fisicamente retidos por meio de barreiras no sistema Desarenação neste momento a areia em suspensão no esgoto vai para o fundo do tanque enquanto os materiais orgânicos ficam nas camadas superiores Decantador primário primeira etapa de decantação onde o material orgânico sólido é misturado e sedimentado no fundo formando lodo Peneira rotativa depois da formação do lodo por decantação um processo de centrifugação separa a fase sólida da mistura em uma espécie de peneira permitindo que o líquido seja armazenado em tanques Digestão anaeróbica nesta fase o objetivo é a estabilização da mistura por meio de processos químicos que atuam no lodo remanescente neutralizando bactérias e gases nocivos Tanque de aeração através de um processo químico específico os resíduos orgânicos são transformados em gás carbônico fazendo com 98 que a matéria ali contida sirva de alimento para microrganismos que ajudarão na decomposição de resíduos Decantador secundário mais uma fase de decantação onde a matéria sólida no lodo é reduzida Adensamento do lodo o lodo é filtrado aqui para que se retire mais uma parte da matéria sólida da mistura Condicionamento químico do lodo o lodo é coagulado e desidratado deixando apenas a parte sólida do composto para trás Filtro prensa de placas o restante do líquido é extraído através de um processo de compressão mecânica sobre a massa de lodo obtida na etapa anterior Secador térmico na fase final o material é exposto a altas temperaturas o que força a evaporação de qualquer resquício de água ainda presente no material FOCO MEIO AMBIENTE sd sp 54 Operação de Redes de Esgotamento Sanitário A manutenção das redes de esgotos pode ser conceituada como conjunto de atividades necessárias a garantir O controle do uso do sistema aspecto que envolve também a fase de coleta já que a utilização indevida das instalações prediais pode afetar gravemente a rede pública Um programa contínuo de trabalhos capazes de evitar ou pelo menos corrigir anormalidades na rede com o objetivo de assegurar o eficiente funcionamento desta última Um correto programa de manutenção tem como os principais objetivos a Evitar perigos para a saúde pública e outros inconvenientes que decorram de mau funcionamento evitável dos sistemas públicos de esgotos 99 b Proteger o imenso e custoso patrimônio representado pelos sistemas públicos de esgotos através da conservação de sua capacidade máxima e do prolongamento de sua vida útil c Impedir danos evitáveis às propriedades públicas e privadas d Utilizar da maneira mais eficiente e segura possível os recursos destinados à operação dos sistemas públicos de esgotos e Redução ao grau mínimo da responsabilidade legal das autoridades quando da ocorrência de danos às propriedades particulares causados por obstruções inevitáveis Vias de regra as principais anormalidades que geralmente ocorrem nas redes de esgotos podem ser resumidas da seguinte maneira rupturas abatimentos gordura represamento raízes assoreamento e objetos estranhos Dessas anormalidades boa parte delas são representadas pelos objetos estranhos e gordura sendo que estes poderiam ter origem nas instalações prediais por deficiência ou mau uso destas De todos os serviços de utilidade pública os esgotos são provavelmente os que mais sofrem o uso indevido Esta situação ocorre pelas seguintes razões A crença errônea e generalizada de que os esgotos podem receber e levar qualquer substância ou coisa indesejada ou objeto que se lance neles Falta de regulamentos adequados estabelecendo o uso correto e as limitações do sistema A falta de interesse por parte das autoridades responsáveis em fazer cumprir os regulamentos existentes 100 A inspeção periódica da situação da rede em carga é o ponto mais importante de todo o sistema de manutenção preventiva Tratase de examinar através dos poços de visita o comportamento da rede independentemente da limpeza programada 541 Lavagem das Redes de Esgoto Quando a limpeza é executada por meios manuais há necessidade de um espaçamento máximo de 60 metros No caso da utilização de equipamentos especializados este poderá ficar em torno de 120 metros para coletores até 060 m de diâmetro No caso de grandes galerias e interceptores o espaçamento deverá ser cuidadosamente estudado em função dos problemas locais Para um perfeito funcionamento das redes de esgoto é necessário que as lavagens e desobstruções das mesmas ocorram de forma preventiva sendo as mais usuais a Limpeza Manual a limpeza manual do sistema de esgotos sanitários só deve ser empregada quando o órgão responsável pela manutenção não possuir outro recurso para tal atividade A razão desta afirmação não se prende apenas ao maior rendimento que a utilização de equipamentos apresenta mas também por ser tal atividade perigosa e insalubre As partes do sistema de esgotos sanitários frequentemente sujeitas a limpezas periódicas são Poços de visita PV devem ser limpos quando apresentarem assoreamentos ou deposição de material pesado verificado pela sondagem do fundo do poço com varas especialmente fabricadas para tal fim ou quando apresentarem crostas de gordura e outros materiais constatados por simples inspeção visual Os problemas mencionados são mais comuns em áreas com grande concentração de restaurantes e naquelas próximas de praias A Figura 54 apresenta uma destas condições 101 Figura 54 Poço de Visita Obstruído Fonte O autor Coletores devem ser limpos quando apresentam assoreamento ou obstruções causadas por corpos estranhos raízes estopas panos gordura entre outros Desarenadores ou poços de elevatórias devem ser limpos manualmente quando a elevatória não possuir dispositivos mecânicos Fossas sépticas são dimensionadas em média para sofrerem uma limpeza anual Para proceder a esta limpeza é necessário escavar o solo e retirar a tampa de concreto Utilizamse latas ou baldes presos em varas de madeira que são introduzidas pelas câmaras das fossas a fim de retirar o material e transportálo para um buraco previamente escavado ao lado da mesma Não se deve proceder à desinfecção da fossa com produtos clorados a fim de evitarse uma destruição completa dos microrganismos responsáveis pelo processo de digestão anaeróbia do lodo 102 b Limpeza Mecânica a utilização de meios mecânicos para a limpeza do sistema de esgotos sanitários é sem dúvida alguma o método mais eficiente e econômico A quantidade e natureza dos equipamentos a serem utilizados é função do conhecimento dos problemas do sistema e da extensão da rede coletora devendo ser tarefa de técnicos com vivência do problema De modo geral e para um primeiro contato devemos saber que os poços de visita são limpos com auxílio dos equipamentos tipos VACALL e DAMIÃO neste caso o VACALL retira a camada de sobrenadante e o DAMIÃO retira o material sedimentado São os SEWERODERS mais comumente usados para cortar raízes e crostas gordurosas e na limpeza eficiente de coletores de pequeno diâmetro que apresentem pouco assoreamento Já as BUCKET MACHINES são utilizadas na limpeza e retirada de detritos de qualquer natureza em coletores e galerias O POWER DRIVE é um equipamento semelhante ao SEWERODER porém mais compacto e utilizado em canalizações de pequeno diâmetro e locais de difícil acesso O DAMIÃO tem sido utilizado com êxito na limpeza dos desarenadores e poços de elevatórias sem a necessidade de retirar essas unidades de serviço Decantadores e mesmo digestores poderão eventualmente ser limpos com auxílio do VACALL ou similares Fossas sépticas além da limpeza manual podem ser esvaziadas por bombas ou mesmo com o DAMIÃO quando sua localização assim o permitir A Figura 55 apresenta um tipo de haste de limpeza de POWER DRIVE para limpeza mecânica 103 Figura 55 Hastes de Limpeza e Desobstrução de Esgoto Fonte O autor c Limpeza Hidráulica este método de limpeza utiliza a hidrodinâmica para arrastar todos os detritos acumulados no interior das canalizações para um ponto da rede convenientemente escolhido onde possam ser retirados Esses pontos de retirada são ou os poços de visitas da rede ou os poços e caixas de areia das elevatórias Para limpeza por este processo usamos equipamentos tipo VACALL ou SEWERJET As Figuras 55 e 57 apresentam estes equipamentos Figura 56 Caminhão SEWERJET de Limpeza e Desobstrução de Esgoto Fonte O autor 104 Figura 57 Caminhão VACALL de Limpeza e Desobstrução de Esgoto Fonte O autor 542 Obstruções das Redes de Esgotamento Vários são os motivos que podem ocasionar obstruções nas tubulações de esgotos sanitários Dependendo das características de urbanização locais poderão variar Em áreas onde se localiza grande número de bares e restaurantes é maior a quantidade de depósitos de gordura na rede Em ruas arborizadas ocorrem com frequência penetração de raízes nos coletores Além disto a urbanização e a topografia da região influem diretamente quanto ao volume de areia ou terra que tem acesso à rede A obstrução pode ser total ou parcial Quando se dá a obstrução parcial o problema só se agrava nas horas de maior demanda Toda obstrução parcial tende a se transformar em total caso não sejam tomadas as providências necessárias Serão citadas a seguir as mais conhecidas causas de obstrução por ordem de frequência Assoreamento talvez o maior problema causador de obstruções na rede de esgotos sanitários e que contribui também para a ocorrência de outros tipos de obstruções Por exemplo estando um coletor assoreado outros pequenos corpos estranhos que normalmente teriam passagem livre no mesmo 105 acumulamse causando assim a obstrução do sistema O assoreamento por si só pode atingir o ponto de ocasionar a obstrução total da rede Gorduras onde não há caixas separadores de gordura ou a sua existência não atende às necessidades exigidas ocorre a deposição progressiva daquela matéria nas paredes dos coletores e nos poços de visita o que vem finalmente a causar ou facilitar a ocorrência de obstruções Objetos estranhos a falta de educação ambiental implica quase sempre no mau uso da rede e consequentemente em causas de obstruções É extremamente comum surgirem problemas ocasionados por estopas panos latas madeiras pedras garrafas pet travesseiros roupas e pedaços de móveis entre outros objetos Abatimento tratase do esmagamento do coletor ou galeria ocasionados por falha no assentamento deslocamento do terreno ou excesso de peso sobre o coletor sobrecarga É evidente que ao ocorrer o abatimento há uma descontinuidade do sistema o que ocasiona a obstrução Raízes a ocorrência de obstrução total motivada por raízes é muito rara isto porque os problemas tendem a surgir ainda quando as raízes se constituem apenas numa malha que vai retendo progressivamente os corpos estranhos que irão assim causar a obstrução A penetração de raízes nos coletores se dá através de juntas malfeitas ou de rachaduras 55 Águas de Reuso A expansão do reuso em suas várias formas de aplicação e o seu reconhecimento como uma técnica segura e sustentável favorece cada vez mais a sua aceitação pela população e pelo mercado atuando na sua crescente viabilização econômica e consequente maior aplicação e vice e versa 106 O crescimento populacional associado aos processos de degradação vem acarretando sérios problemas de escassez de água quantitativa ou qualitativa Conflitos no seu uso vem sendo constatados até mesmo em regiões com excelentes recursos hídricos que tendem a exigir esforços para reduzir o déficit crônico de abastecimento de água e o esgotamento sanitário adequado Isto despertou uma preocupação universal e consequentemente a percepção do valor econômico da água Hoje já é inadmissível o uso de água tratada para usos como lavagens de ruas sendo a utilização das águas de reuso já uma realidade conforme a Figura 58 Figura 58 Rega de Jardim com Água de Reuso Fonte AEC WEB sd sp Disponível em httpsbitly330pJ3i Acesso em 24 set 2020 Generalizando podese dizer que o reuso é apenas uma extensão do tratamento de esgoto com ou sem investimentos adicionais elevados Nem todo o volume de esgoto gerado precisa ser tratado para ser reutilizado porém pode ser necessário que este efluentes passem por um processo bastante específico de purificação As técnicas de tratamento de efluente já existem e podem ser aplicadas de acordo com a necessidade o custo e qualidade de efluente que se deseja A eficiência do projeto está diretamente ligada às condições de sua viabilidade técnica e econômica Além da escassez da água o reuso da água para fins não potáveis vem sendo cada vez mais incentivado devido à dificuldade de atendimento da demanda da água e de mananciais próximos e de qualidade adequada 107 551 Tipos e Reuso A tecnologia do reuso pode ser entendida como uma forma de reaproveitamento da água servida que abrange Desde a simples recirculação de água de enxágue da máquina de lavar roupas com ou sem tratamento para os vasos sanitários Até uma remoção de poluentes em graus específicos para lavagens de carros ou para processos industriais exigentes Para melhor entender as diversas formas de reuso devese lembrar que a disposição final do efluente líquido de uma estação de tratamento de esgoto na maioria das vezes é feita em corpos receptores Quando é reutilizada esta água considerase algumas formas de aplicação do efluente líquido advindos das ETEs que podem ser direta ou indireta decorrentes de ações planejadas ou não sendo 5511 Reuso indireto É quando o esgoto após ser tratado ou não é lançado em um corpo hídrico promovendo a sua diluição podendo ainda ser classificado em Reuso indireto não planejado ocorre quando a água utilizada em alguma atividade humana é descarregada no meio ambiente e novamente utilizada a jusante em sua forma diluída de maneira não intencional e não controlada Durante este período de detenção ocorre a diluição e autodepuração da água Reuso indireto planejado da água ocorre quando o efluente tratado é descarregado de forma planejada nos corpos de águas superficiais ou subterrâneas para serem utilizadas a jusante de maneira controlada no atendimento de algum uso benéfico 108 É necessário que o corpo receptor intermediário seja um corpo hídrico não poluído para através de diluição adequada reduzir a carga poluidora a níveis aceitáveis 5512 Reuso direto Quando o esgoto após ser tratado ou não é lançado em um corpo hídrico promovendo a sua diluição Ocorre quando os efluentes depois de tratados são encaminhados diretamente de seu ponto de descarga até o local do reuso não sendo descarregados no meio ambiente É o caso com maior ocorrência destinandose a uso em indústria ou irrigação 552 Grau de Tratamento O grau de tratamento para o uso múltiplo de esgoto tratado geralmente é definido pelo uso mais restringente quanto à qualidade de esgoto tratado Em termos gerais definese classificações e parâmetros para a qualidade do esgoto conforme o reuso separandoo em classes Classe 1 Utilização Lavagem de carros e outros usos que requerem o contato direto do usuário com a água Parâmetros turbidez inferior a 5 coliforme fecal inferior a 200 NMP100 ml sólidos dissolvidos totais inferiores a 200 mgL pH entre 60 e 80 cloro residual entre 05 mgL e 15 mgL Metodologia Nesse nível serão geralmente necessários tratamentos aeróbios seguidos por filtração convencional e cloração 109 Classe 2 Utilização Lavagens de pisos calçadas e irrigação dos jardins manutenção dos lagos e canais para fins paisagísticos exceto chafarizes Parâmetros turbidez inferior a 5 coliforme fecal inferior a 500 NMP100ml cloro residual superior a 05 mgL Metodologia Nesse nível é satisfatório um tratamento biológico aeróbio seguido de filtração de areia e desinfecção Classe 3 Utilização Em descargas dos vasos sanitários Parâmetros turbidez inferior a 10 coliforme fecal inferior a 500 NMP100ml Metodologia Normalmente as águas de enxágue das máquinas de lavar roupas satisfazem a este padrão sendo necessário apenas uma cloração Para casos gerais um tratamento aeróbio seguido de filtração e desinfecção satisfaz a este padrão Classe 4 Utilização Em nos pomares cereais forragens pastagens para gados e outros cultivos através de escoamento superficial ou por sistema de irrigação pontual Parâmetros coliforme fecal inferior a 5000 NMP100ml oxigênio dissolvido acima de 20 mgL Metodologia Para casos gerais um tratamento aeróbio seguido de filtração e desinfecção satisfaz a este padrão As aplicações devem ser interrompidas pelo menos 10 dias antes da colheita 110 56 Poluição Difusa São cargas poluidoras que provêm de atividades que depositam poluentes de forma esparsa sobre a área de contribuição da bacia hidrográfica chegando aos corpos hídricos de forma intermitente associadas a eventos de precipitação geradas a partir de extensas áreas de ocupação antrópica É difícil associarse a elas um ponto de origem conforme verificamos a Figura 59 Figura 59 Poluição Difusa Fonte O autor A carga chega ao corpo hídrico quando há eventos de precipitação Parte vem na própria água da chuva Parte é arrastada pelo escoamento superficial 111 Sua ocorrência é aleatória varia também a quantidade transportada em função das perdas iniciais do escoamento superficial em pela variação da lâmina de água e velocidade do escoamento 561 Medidas de Controle a Poluição Difusa Podemos destacar cinco ações principais para minimizar os efeitos da poluição difusa São praticamente as mesmas medidas para minimizar os problemas de drenagem urbana ou seja reduzindose o volume escoado se reduz a carga poluidora carreada Assim podemos destacar Gestão da Bacia Hidrográfica Diminuir a área impermeável e diretamente conectada aos corpos receptores Aumentar as áreas de infiltração Controle da disposição de elementos contaminantes a superfície através de recolhimento e limpeza de áreas públicas Tratamento das águas provenientes da drenagem urbana Cabe ressaltar que a educação ambiental é fundamental pois a maioria destes detritos é proveniente da falta de consciência ambiental da população Conclusão Assim podemos verificar que a questão do Esgotamento Sanitário ainda no Brasil é um grande desafio não somente pelas questões técnicas como ainda por problemas sociais e de investimento em saúde pública Associado a isso a falta de conscientização ambiental por grande parte da população causa ainda graves problemas na operação destas tubulações 112 Políticas de reuso de água apesar de cada vez mais presente em nosso dia a dia ainda sofre com preconceitos e pouco investimento A poluição difusa portanto só vem a sacramentar este péssimo quadro sendo que a Educação Ambiental ainda tem muito a desenvolver em nossa sociedade REFERÊNCIAS AZEVEDO NETTO J M Manual de Hidráulica São Paulo Edgar Blucher 1973 1977 1982 ARIOVALDO N Esgoto Sanitário Coleta Transporte Tratamento e Reuso Agrícola São Paulo Editora Blucher 2003 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS Número de referência ABNT NBR 122092011 53 páginas FOCO MEIO AMBIENTE Estação de Tratamento de Esgoto conheça as principais etapas In Foco Meio Ambiente Disponível em httpsbitly2RUqfsW Acesso em 24 set 2020 113 6 DRENAGEM URBANA E OS PROBLEMAS AMBIENTAIS Como visto no Bloco 5 existe um grande desafio em relação aos sistemas de esgotamento sanitário e os sistemas de drenagem urbana não ficam atrás pois ainda causam grandes desafios não somente em relação às enchentes provocadas em grande áreas urbanas mas os problemas de ordem ambiental e de recuperação de corpos receptores pois como visto a utilização dos sistemas unitários absolutos não preveem o tratamento das águas pluviais levando toda a poluição difusa a contaminar os mesmos Políticas de gestão pública e de infraestrutura inadequadas ainda são outros agravantes que devemos levar em conta além é claro a falta de Educação Ambiental Portanto como profissional da área da Engenharia Ambiental tome este como um grande desafio em sua formação e vamos em frente 61 Sistemas de Drenagem A gestão das águas pluviais compreende desde o monitoramento de chuvas e entendimento do ciclo hidrológico e do microclima local à previsão dessas e o correto destino das águas precipitadas tentando adotar práticas que mitiguem os impactos da urbanização assim como a garantia da disponibilidade das águas de chuva ou seja trata tanto da drenagem de forma sustentável quanto do uso racional da água de chuva A metodologia aplicada para a gestão operacional da manutenção dos Sistemas de Drenagem consiste num processo de melhoria contínua Para isso são desenvolvidos planos de manutenção preditiva preventiva e corretiva organizando a execução dos serviços operacionais de manutenção dos componentes do Sistema de Drenagem diagnosticando a origem das anomalias e sanandoas de forma a promover um processo de melhoria contínua com vistas a maximizar a capacidade de escoamento 114 hidráulico gerando confiabilidade operacional e promovendo positivamente a imagem de sua gestão eficiente e controle Podemos dizer que o Sistema de Drenagem faz parte do conjunto de melhoramentos públicos existentes em uma área urbana Como já estudado o escoamento superficial ocorrera durante as precipitações sendo que as ondas de cheia serão minimizadas dependendo das características locais e da implantação de sistemas que minimizem os problemas de enchentes e de contaminação dos corpos receptores Assim é comum lembrarmos apenas da utilização dos Sistemas de Drenagem urbana quando das ocorrências de fortes precipitações e ondas de cheias O planejamento da drenagem urbana pode ser considerado sob dois aspectos uma aplicada às obras e à implantação de ações efetivas e outro em termos mitigar os problemas de Drenagem Urbana de ordem de planejamento e Educação Ambiental O plano diretor é um documento ou conjunto de documentos que contém estas duas medidas sendo as mesmas Medidas Estruturais um sistema de medidas tais como redes de galerias de águas pluviais canais reservatórios de detenção ou retenção bacias de sedimentação e diques com as respectivas estimativas de custos ou seja obras de engenharia implantadas para mitigar os impactos causados pelas enchentes Medidas Não Estruturais um conjunto de medidas que podem ser de natureza institucional administrativa ou financeira sendo adotada individualmente ou por um grupo de pessoas espontaneamente ou imposta por lei que visam minimizar impactos e adaptar moradores às condições extremas causadas por eventos de enchentes como a aquisição de terrenos para preservação regulamentos manual de práticas seguro contra inundações reassentamentos estruturas à prova de inundações programas de 115 inspeção e manutenção programas de contingências programas de Educação Ambiental com os respectivos custos desde que possam ser estimados Já o Plano Diretor para Drenagem Urbana deve ser um conjunto de mecanismos de gestão para a infraestrutura urbana relacionada ao escoamento de águas pluviais e corpos dágua em áreas urbanas evitando perdas econômicas e promovendo o bem estar social e a sustentabilidade ambiental onde podemos destacar Estudo geral da bacia hidrográfica Possibilitar a identificação das áreas a serem preservadas Estabelecer o escalonamento da implantação das medidas necessárias Elaboração do zoneamento e preservação da várzea de inundação Articulação com outras atividades urbanas como Esgotamento Sanitário Educação Ambiental Respaldo técnico e político a aplicação de recursos financeiros Adoção de medidas preventivas 62 Macrodrenagem Definimos a Macrodrenagem como as estruturas de condução principais da bacia hidrográfica Em geral originamse nos elementos de drenagem como os rios e córregos naturais e suas ampliações e canalizações escoamentos em fundo de vale bem definidos tendo o papel concentrador e condutor das águas pluviais da bacia recebendo as contribuições dos diversos subsistemas de microdrenagem Destes elementos podemos destacar Canais naturais ou construídos Reservatórios de detenção 116 Reservatórios de retenção Galerias de maiores dimensões A Figura 61 apresenta um canal natural e a Figura 58 apresenta um canal construído onde é possível observar as galerias e tubulação de chegada da microdrenagem Figura 61 Canal Natural Carajás Fonte O autor Figura 62 Canal Construído com Galeria Carajás Fonte O autor 117 621 Reservatórios de Detenção Os reservatórios de detenção popularmente conhecidos como piscinões são estruturas de acumulação temporária das águas de chuva que contribuem para a redução das inundações urbanas Embora estas estruturas apresentem como principal função o amortecimento das ondas de cheias e a redução das inundações urbanas elas podem também proporcionar a captação de sedimentos e detritos assim como a recuperação da qualidade das águas dos córregos e rios urbanos pois contêm parte da poluição difusa carreada pelas primeiras horas das precipitações Estes equipamentos possuem um caráter multifuncional agregando áreas verdes e de lazer e compondo projetos urbanísticos com valorização da presença de água em espaço urbano Depois de construídos causam pouca interferência no tráfego de veículos e no funcionamento de atividades de comércio e serviços podendo ser abertos ou subterrâneos dependendo das condições existentes Tendem a facilitar a limpeza e diminuem seu custo pois os sedimentos e o lixo carreado pelas águas de chuva acabam concentrados em sua área podendo ser removidos mais facilmente Em contrapartida a implantação destes reservatórios de detenção somente para o controle de inundações conforme a Figura 63 sem a integração de outros usos potenciais como quadras de esportes espaços para lazer e melhoria da qualidade das águas pode conduzir à não aceitação da medida pela população do seu entorno tendo em vista que a ausência de manutenção planejada e contínua pode ainda acarretar na proliferação de animais portadores de vetores de doenças e vegetação bem como na utilização do terreno para o lançamento ilegal de lixo e entulho A carências de ações de saneamento como a coleta de lixo e a coleta adequada de esgoto fazem com que os reservatórios de detenção sejam submetidos a cargas elevadas de poluentes Ainda nos casos de estruturas que necessitem de bombeamento pode ocorrer o risco de falha nas bombas o que pode causar inundações a jusante Por seu porte requer grandes áreas e as vezes desapropriações para sua construção encarecendo ou inviabilizando sua construção 118 Figura 63 Reservatório de Detenção Rincão Fonte O autor 63 Microdrenagem Definimos a Microdrenagem como as estruturas de captação e condução de águas pluviais que chegam aos elementos viários como ruas praças e avenidas e são provenientes não apenas da precipitação direta sobre eles mas também das captações existentes nas edificações e lotes O conjunto de suas estruturas configuram a entrada das águas pluviais no sistema de drenagem das bacias urbanas devendo garantir as características de tráfego e conforto dos usuários destas estruturas Um Sistema de Drenagem é composto de uma série de unidades e dispositivos hidráulicos para os quais existe uma terminologia própria e cujos elementos mais frequentes são conceituados a seguir Greide é uma linha do perfil correspondente ao eixo longitudinal da superfície livre da via pública Galeria tubulações públicas usadas para conduzir as águas pluviais provenientes das bocas de lobo e das ligações privadas 119 Guia também conhecida como meiofio é a faixa longitudinal de separação do passeio com o leito viário constituindose geralmente de peças de granito argamassadas Meio Fio Elementos de pedra ou concreto colocados entre o passeio e a via pública paralelamente ao eixo da rua e com sua face superior no mesmo nível do passeio Trecho porção da galeria situada entre dois poços de visita Tubos de Ligação são tubulações destinadas a conduzir as águas pluviais captadas nas bocasdelobo para as galerias ou poços de visita Sarjeta é o canal longitudinal em geral triangular situado entre a guia e a pista de rolamento destinado a coletar e conduzir as águas de escoamento superficial até os pontos de coleta Sarjetões canal de seção triangular situado nos pontos baixos ou nos encontros dos leitos viários das vias públicas destinados a conectar sarjetas ou encaminhar efluentes destas para os pontos de coleta Condutos Forçados destinadas à condução das águas superficiais coletadas de maneira segura e eficiente sem preencher completamente a seção transversal do conduto Estações de Bombeamento conjunto de obras e equipamentos destinados a retirar água de um canal de drenagem quando não mais houver condições de escoamento por gravidade para um outro canal em nível mais elevado ou receptor final da drenagem em estudo Bocas coletoras também denominadas de bocas de lobo são estruturas hidráulicas para captação das águas superficiais transportadas pelas sarjetas e sarjetões em geral situamse sob o passeio ou sob a sarjeta conforme a Figura 64 120 Figura 64 Boca de Lobo e detalhe da Caixa Coletora Fonte O autor Dependendo da estrutura localização ou do funcionamento as bocas coletoras recebem várias qualificações agrupadas como segue a Quanto a estrutura da abertura ou entrada Simples ou lateral Gradeadas com barras longitudinais transversais ou mistas boca de leão 121 Combinada Múltipla b Quanto a localização ao longo das sarjetas Intermediárias De cruzamentos De pontos baixos c Quanto ao funcionamento Livre Afogada Denominamos de depressão um rebaixamento feito na sarjeta junto a entrada da boca coletora com a finalidade de aumentar a capacidade de captação desta A Figura 65 apresenta uma Boca de Leão pelo seu gradeamento Figura 65 Boca de Leão e detalhe da Caixa Coletora Fonte O autor 122 Poços de Visita PV são dispositivos localizados em pontos convenientes do sistema de galerias para permitirem mudanças de direção mudança de declividade mudança de diâmetro e inspeção e limpeza das canalizações Um poço de visita convencional possui dois compartimentos distintos que são a chaminé e o balão construídos de tal forma a permitir fácil entrada e saída do operador e espaço suficiente para este operador executar as manobras necessárias ao desempenho das funções para as que a câmara foi projetada O balão ou câmara de trabalho é o compartimento principal da estrutura de secção circular quadrada ou retangular onde se realizam todas as manobras internas manuais ou mecânicas por ocasião dos serviços de manutenção de cada trecho Nele se encontram construídas em seu piso as calhas de concordância entre as secções de entrada dos trechos a montante e de saída A chaminé pescoço ou tubo de descida consiste no conduto de ligação entre o balão e a superfície ou seja o exterior Convencionalmente iniciase num furo excêntrico feito na laje de cobertura do balão e termina na superfície do terreno fechada por um tampão de ferro fundido conforme a Figura 66 Figura 66 Detalhe de um Poço de Visita PV Fonte O autor 123 64 Dimensionamento de Redes de Drenagem Para o dimensionamento admitese que o escoamento está em regime permanente h Q e V constantes no tempo e uniforme h Q e V constantes ao longo do canal A pressão exercida sobre a superfície líquida é a pressão atmosférica O diâmetro mínimo das galerias de seção circular deve ser de 030 m Os diâmetros correntes são 030 040 050 060 100 120 150 m As galerias pluviais são projetadas para funcionarem a 85 da seção plena com vazão de projeto A velocidade máxima admissível determinase em função do material a ser empregado na rede O recobrimento mínimo da rede deve ser de 10 m quando forem empregadas tubulações sem estruturas especiais Nas mudanças de diâmetro os tubos deverão ser alinhados pela geratriz superior 641 Escolha do Tipo de Boca Coletora A indicação do tipo de bola coletora é de essencial importância para a eficiência da drenagem das águas de superfície Para que esta opção seja correta devese analisar diversos fatores físicos e hidráulicos tais como ponto de localização vazão de projeto declividade transversal e longitudinal da sarjeta e da rua interferência no tráfego e possibilidades de obstruções A seguir são citadas para cada tipo de boca coletora as situações em que melhor cada uma se adapta Boca coletora lateral pontos intermediários em sarjetas com pequena declividade longitudinal 1 a 5 presença de materiais obstrutivos nas sarjetas vias de tráfego intenso e rápido montante dos cruzamentos Boca coletora com grelha sarjetas com limitação de depressão inexistência de materiais obstrutivos em pontos intermediários em ruas com alta declividade longitudinal 1 a 10 124 Combinadas pontos baixos de ruas pontos intermediários da sarjeta com declividade média entre 5 e 10 presença de detritos Bocas Múltiplas pontos baixos sarjetas com grandes vazões conforme a Figura 67 Figura 67 Detalhe de Bocas de Lobo múltiplas Fonte O autor A capacidade de captação de cada Boca de Lobo e em média de uma vazão Q de 50 Ls As paredes das Bocas de Lobo devem ser revestidas internas e externamente em argamassa impermeabilizante 642 Dimensionamento de Poços de Visitas PV Os poços de visita utilizados para facilitar a inspeção e limpeza das Redes de Drenagem terminam superiormente com um tampão de ferro fundido ao nível da rua e inferiormente com uma laje de concreto à profundidade da tubulação de cota mais baixa para conduzir as águas pluviais Só é permitida uma caixa de ligação entre dois poços de visita consecutivos O diâmetro mínimo dos coletores varia de autor para autor podendo ser de 040m 050m ou 060m Quanto à localização dos poços de 125 visita e ao seu distanciamento mútuo é recomendado adotar o valor de 60 metros de afastamento máximo entre dois poços de visita consecutivos As tubulações conectoras de ligação que partem das bocas de lobo para alimentar os coletores galerias podem terminar num poço de visita numa caixa de ligação ou em outra tubulação conectora Não devem ter diâmetro inferior a 030 m nem declividade menor que 1 valores que lhes permitem escoar uma vazão Q de 80 Ls aproximadamente Um poço de visita não deve receber mais de quatro tubulações conectoras razão pela qual são inseridas nos coletores caixas de ligação destinadas a receber as tubulações excedentes A Figura 68 apresenta um esquema de um Sistema de Drenagem Figura 68 Esquema de uma Rede de Drenagem Fonte O autor 643 Cálculo para vazão Q da capacidade de escoamento superficial Paro o cálculo da capacidade de escoamento superficial devemos sempre remeter nosso cálculo à soma da vazão Q da via somada a sarjeta Podemos utilizar os métodos de Manning ou Izzard sendo este mais utilizado pela sua praticidade Assim podemos calcular a capacidade de escoamento das sarjetas e sarjetões aplicando um coeficiente k de acordo com a inclinação I mm da via estudada sendo 126 𝑄𝑜 𝑘 𝐼 Eq 45 Onde Qo capacidade de escoamento m³s k coeficiente de simplificação I declividade da via mm Os valores de k podem ser obtidos através da Tabela 05 em função da largura da via Tabela 61 Coeficientes k Método de Izzard Largura da Via m 3 4 5 6 7 8 9 10 Coeficiente k 0539 0718 0898 1077 1257 1436 1616 1795 Fonte Adaptado pelo autor O cálculo da vazão Q da área de contribuição pode ser medida pelo Método Racional sendo 𝑄 𝐶 𝑖 𝐴 Eq 46 Onde Q vazão da área de contribuição m³s C coeficiente de escoamento tabelado de acordo com o tipo de característica do local da bacia i intensidade da chuva ms A área de contribuição m² 127 Confrontando as vazões da capacidade de escoamento superficial Qo e da vazão da área de contribuição Q podemos verificar que Q Qo não será necessário a realização de projeto e o escoamento se dará normalmente pelas sarjetas e sarjetões Q 𝑸𝒐 será necessário a realização de projeto de dispositivos de recolhimento e condução desta vazão pluvial Caso haja a necessidade de implantação de projeto cabe ressaltar Distribuição entre os poços de visita PV de até 60 m Velocidade v máxima de 50 ms e velocidade mínima de 075 ms Degrau máximo entre tubos de 100 m Para os ramais recomendase usar diâmetro D mínimo de 500 mm e para as redes recomendase usar diâmetro D mínimo de 600 mm As seções circulares são dimensionadas à seção plena ou y 094D e as retangulares com altura livre mínima de 010H Nas mudanças de diâmetro ou dimensões as geratrizes superiores internas devem estar alinhadas Inicialmente adotase o diâmetro mínimo e a declividade do terreno por meio de plantas ou levantamento topográfico Determinase a capacidade da rede utilizando a equação da continuidade 𝑄 𝑣 𝐴𝑚 Eq 47 Onde Q vazão da rede m³s v velocidade média ms Am área molhada 128 A velocidade de escoamento deve ser calculada utilizandose a equação de Manning onde 𝑣 1 𝑛 𝑅ℎ3 2 𝐼 Eq 48 Onde v velocidade média ms n coeficiente de rugosidade 0015 concreto I declividade média mm Rh raio hidráulico m A tabela 62 apresenta as equações mais comuns para os tipos de canais geométricos que iremos utilizar Tabela 62 Geometria de Canais para dimensionamento Fonte DOC Player sd sp Disponível em httpsbitly363WaiZ Acesso em 24 set 2020 129 Para a determinação da quantidade de dispositivos e locação dos poços de visita podemos aplicar a seguinte equação 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 𝑄 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜 Eq 49 Onde Número de dispositivo nº de dispositivos por unidade Q vazão da área de contribuição m³s Q dispositivos vazão de capacidade do dispositivo m³s Exemplo Boca de Lobo 005 m³s Cabe ressaltar ainda que As redes deverão ser projetadas e locadas no eixo da pista No caso de avenidas as redes deverão preferencialmente ser projetadas sob o canteiro central Para redes em concreto armado o cobrimento mínimo recomendado sobre a geratriz superior será de 100 m Os pontos baixos nos greides das vias devem ser providos de dispositivos de captação obrigatoriamente 65 Operação de Redes de Drenagem Para uma correta operação das Redes de Drenagem é necessário o mesmo tratamento desprovido nas Redes de Esgotamento Sanitário com algumas diferenças relativas às bocas de lobo que infelizmente ainda são consideradas pela população como dispositivos de captação de resíduos sólidos vulgarmente chamados de lixo 130 Estes acúmulos são os que provocam a Poluição Difusa apresentada no Bloco 5 conforme a Figura 69 Figura 69 Boca de Lobo com Resíduos Acumulados Fonte O autor 651 Limpeza de Bocas de Lobos e Redes de Drenagem Os poços de visita e a abertura das bocas de lobo permitem a inspeção dos coletores aos quais se conectam visando promover a limpeza e desobstrução das redes de drenagem Estas tubulações permitem em geral a lavagem dos coletores por meio de mangueiras com jatos de água e a sua desobstrução com o emprego de varas apropriadas ou equipamentos de sucção A abertura de acesso ao poço de visita situada ao nível do terreno é provida de um tampão de ferro fundido constituído de caixilho e tampa A Figuras 610 611 612 613 e 614 apresentam etapas de limpeza das Redes de Drenagem 131 Figura 610 Limpeza de Boca de Lobo Assoreada Fonte O autor Figura 611 Limpeza de Boca de Leão Assoreada Fonte O autor Figura 612 Detalhe de Lavagem de Rede de Drenagem com Jateamento Fonte O autor 132 Figura 613 Detalhe de Lavagem de Rede de Drenagem com Jateamento Fonte O autor 133 Figura 614 Lavagem de Rede de Drenagem com VALCALL Fonte O autor 66 Controle de Enchentes As ações antrópicas nas Bacias Hidrográficas Urbanas junto com a modificação dos canais de macrodrenagem alterações das margens e da vegetação ribeirinha causam aumento das taxas de erosão conforme Figura 615 e assoreamentos e variações nos hidrogramas com o aumento de volumes e picos de vazão O escoamento superficial também traz consigo a poluição difusa conforme já foi mencionado 134 Figura 615 Erosão em Canal Natural Fonte O autor Estes efeitos assim como outros não citados mas igualmente conhecidos produzem impactos negativos diversos de curto e longo prazo Por esta razão já começam a surgir novos conceitos de drenagem que procuram compatibilizar as soluções com as condições naturais do meio ambiente minimizando os seus impactos Existe hoje em algumas cidades a visão de que a preservação da várzea natural sem grandes alterações da morfologia dos cursos dágua e da vegetação ribeirinha representa uma forma de controle de enchentes e também da qualidade da água por ser mantida a capacidade assimilativa natural do ecossistema e ao mesmo tempo a capacidade de amortecimento dos picos de cheias A magnitude do impacto causado pelo lançamento da drenagem urbana depende de fatores como o estado do corpo dágua antes do lançamento sua capacidade assimilativa e ainda da quantidade e distribuição das chuvas uso do solo na bacia e tipo e quantidade de poluente arrastado conforme a Figura 616 em um PV de Drenagem 135 Figura 616 Garrafas e Plásticos em Rede de Drenagem Fonte O autor Como soluções para estes problemas podemos destacar algumas ações que permitem minimizar e mitigar estas ocorrências Pavimento poroso Valas e poços de Infiltração Micro reservatórios Telhado reservatório Telhado Ecológico Trincheira de Infiltração Faixas de infiltração Restauração de margens de córregos e rios Naturalização de córregos e sua preservação 136 Reservatórios de amortecimento Construção de Wetlands Conclusão Tal como os Sistemas de Esgotamento Sanitário percebemos que os grandes problemas em nossas redes de drenagem são decorrentes ainda de uma carência de gestão mais apurada e de uma maior conscientização da população Só lembramos da real necessidade destes tão importantes equipamentos quando falham A utilização de um sistema de tratamento das águas pluviais ainda é uma discussão distante de nossa realidade porém tem crescido em outros países REFERÊNCIAS AZEVEDO NETTO J M Manual de Hidráulica São Paulo Edgar Blucher 1973 1977 1982 ARIOVALDO N Esgoto Sanitário Coleta Transporte Tratamento e Reuso Agrícola São Paulo Editora Blucher 2003 PLINIO T Cálculos Hidrológicos e Hidráulicos para Obras Municipais São Paulo Editora Navegar 2002