Livro - Coleta e Tratamento de Esgoto Sanitário

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A escolha da posição da rede na via pública depende dos seguintes fatores:

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Figura 2.4 - Orientação do fluxo dos esgotos nos órgãos acessórios.

• conhecimento prévio das interferências (galerias de águas pluviais, cabos telefônicos e elétricos, adutoras, redes de água, tubulação de gás); • profundidade dos coletores; • tráfego; • largura da rua; • soleiras dos prédios etc.

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Quando existir apenas uma tubulação de esgoto sanitário na rua, ela poderá ser executada no eixo do leito carroçável ou ser assentada lateralmente, distando 1/3 da largura entre o eixo e o meio-fio, quando o eixo for ocupado por galerias pluviais, por exemplo. Na figura 2.7 indica-se a rede de esgoto sanitário por um traço contínuo, com o sentido de escoamento assinalado. Nesta figura está indicada a posição da tubulação de esgotos, em planta, em um cruzamento de duas ruas, com interferência de galeria pluvial.

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Figura 2.5 - Traçados de rede conforme orientação do fluxo.

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A rede coletora de esgotos pode ser assentada em cinco posições diferentes, ou seja,leixo, ter o par, terço ímpar, passeIO par e passeio ímpar conforme m~stra a figura 2.6. A especificação de par ou ímpar é determinada pela numeraçao dos prédios da rua, quando a mesma for oficializada pela prefeitura do município.

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DE SISTEMAS

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Dependendo das condições da via pública, pode-se assentar uma tubulação (rede simples), ou até duas tubulações (rede dupla). As condições em que é recomendável um ou outro caso são descritas a seguir. --_~

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Utilizada na ocorrência de pelo menos um dos seguintes casos: • vias com tráfego intenso; • vias com largura entre os alinhamentos dos lotes igualou superior a 14m para ruas asfaltadas, ou 18 m para ruas de terra; • vias com interferências que impossibilitem o assentamento do coletor no leito carroçável, ou que constituam impecilho à execução das ligações prediais. Nesses casos, a tubulação poderá ser assentada no passeio, desde que a sua largura seja de preferência superior a 2,0 m e a profundidade do coletor não exceda a 2,0 m ou a 2,5 m, dependendo do tipo de solo, e que não existam interferências que dificultem a obra. Na impossibilidade de adoção .de tal solução, a rede poderá ser lançada no leito carroçável, próximo à sarjeta (terço da rua). . . A rede dupla pode estar situada no passeio, no terço, ou uma rede no passeio e outra no terço da rua. A situação de um cruzamento, em que uma das ruas tem tubulação dupla é indicada na figura 2.8.

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2.9 - Rede dupla em paralelo com coletar tronco ou com coletar profundo,

Rede simples Utilizada quando não ocorrer nenhum dos casos citados anteriormente. Os coletores serão lançados no eixo carroçável, ou no terço do leito carroçável. Caso em um dos lados da rua existam soleiras negativas, o coletor deverá ser lançado no terço correspondente. Outros fatores que interferem

no traçado da rede de coletores

Há ainda outros fatores que devem ser considerados na concepção do traçado de uma rede de coletores. São eles:

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Figura 2.8 - Rede dupla.

Também se projeta rede dupla a partir do ponto em que os coletores se tornam muito grandes e devem ser construí dos em tubos de concreto (0:2: 400 mm). Esses tubos não recebem ligações prediais diretas. O mesmo acontece para coletores a grandes profundidades (maiores que 4 m). A figura 2.9 exemplifica este caso.

a) Profundidades máximas e mínimas Em função da maior ou menor dificuldade de escavação, na fase de concepção serão estabelecidas as profundidades máximas que deverão ser adotadas no projeto. O conhecimento do subsolo será indispensável para se ter idéia da presença de rochas, solos de baixa resistência, lençol freático e de outros problemas. O ideal seria o reconhecimento completo do subsolo por meio de numerosas sondagens. Entretanto, na fase de projeto, considerando o custo elevado dessas sondagens, geralmente conhece-se o subsolo por um número menor de sondagens. As profundidades máximas dos coletores, quando assentadas nos passeios, deverão ficar em tomo de 2,0 a 2,5m, dependendo do tipo de solo. No leito carroçável

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22

COLETA

E TRANSPORTE

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CONCEPÇÃO

DE ESGOTO SANITÁRIO

e nos terços, a profundidades máximas serão definidas em função das características técnicas do projeto, das interferências e, também, dos percentuais de atendimento das soleiras baixas. Normalmente, as profundidades máximas das redes de esgotos não ultrapassam 3,0 a 4,0 m. Profundidades maiores só serão admitidas após justificativa técnicoeconômica. Para coletores situados a mais de 4,0 m de profundidade, devem ser projetadas coletores auxiliares mais rasos para receberem as ligações prediais. Para a norma NBR '9649, "a rede coletora não deve ser aprofundada para atendimento de economia com cota de soleira abaixo do nível da rua. Nos casos de atendimento considerado necessário, devem ser feitas análises da conveniência do aprofundamento, considerados seus efeitos nos trechos subsequentes e comparando-se com outras soluções". As profundidades mínimas são estabelecidas para atender as condições de recobrimento mínimo, para a proteção da tubulação e, também permitir que a ligação predial seja executada adequadamente, Para o coletor assentado no leito da via de tráfego, o recobrimento da tubulação não deve ser inferior a 0,90 m, e para coletor assentado no passeio a 0,65 m. Recobrimento menor deve ser justificado. b) Interferências Dentre as principais interferências que devem ser consideradas colocam-se as canalizações de drenagem urbana, os cursos de água que atravessam a área urbana e as grandes tubulações de água potável. Também o trânsito pode ser considerado como interferência importante, devendo a concepção da rede ser feita de maneira a causar o mínimo de problemas possível nesse aspecto. c) Aproveitamento de canalizações existentes A concepção deverá considerar o aproveitamento do sistema de coletores existentes. Para isso, deve-se dispor de um cadastro do sistema com as seguintes informações: localização da tubulação e dos órgão acessórios em planta, sentido de escoamento; diâmetro de cada trecho; profundidade a montante e ajusante de cada trecho; e cota do tampão do poços de visitas e demais órgãos acessórios. d) Planos diretores de urbanização

É importante que a concepção da rede leve em consideração os planos diretores de urbanização. Normalmente, esses planos estabelecem a setorização de densidades demográficas, setor industrial e sistema viário principal, e preveêm as zonas de expansão da cidade. A rede coletora deverá estar capacitada, a receber com um

DE SISTEMAS

DE ESGOTO

SANITARIO'

23

mínimo de modificações, os esgotos da área urbana no fim do período do projeto. A passagem das tubulações em locais onde não existem vias públicas deve ser n:inimizada e, se possível, acontecer em locais onde esteja previsto o projeto de vias. 2.7.

CONCEPÇÃO DOS INTERCEPTORES

Uma vez feito o traçado da rede coletora e definido o ponto de lançamento, o traçado do interceptar é conseqüência imediata. Normalmente, poucas alternativas existem a Serem estudadas. Em grande número de casos, os fundos de vale por onde devem passar os interceptores, não são urbanizados, devendo as tubulações passar por terrenos particulares. Nesses casos, deve ser prevista uma faixa que será colocada à disposição do serviço de esgotos. Essa faixa deverá ter uma largura que permita a construção da tubulação. Nas cidades maiores tem sido comum faixas com larguras que variam de 4 a 8 metros. A utilização dessas faixas pode ser assegurada por processo de desapropriação, em que o órgão concessionário dos serviços de esgotos compre o terreno dos proprietários, ou por processo de servidão, em que o proprietário, cede ao órgão concessionário o direito de uso do terreno para essa finalidade, sem que haja a venda do terreno. O alto custo do terreno nas áreas urbanas, principalmente nas grandes cidades, é um fator importante na concepção do projeto, que deve ser feito de maneira a minimizar as áreas a serem desapropriadas, Os interceptares, geralmente, canalizações de grande porte, têm seus projetos muitas vezes influenciados por interf~rências, principalmente a transposição de cursos de água ou galerias pluviais. Essas transposições são feitas por meio de sifões invertidos, quando não há possibilidade de aprofundar o interceptar fazendo-o passar por baixo da interferência. Quando o interceptor atinge profundidades muito grandes, às vezes, é vantajoso o projeto de estações elevatórias. Nesse caso, na fase de concepção do sistema, serão estudadas as duas alternativas: uma estação elevatória atendendo aos dois ramos do interceptar que para ela convergem (a elevatória recalcará os esgotos, através de uma linha de recalque, até seu destino final); ou então, a simples elevação dos esgotos até uma cota mínima possível ao seu transporte através de conduto livre, conforme mostra a figura 2.10. Nessa segunda alternativa configura uma elevatória de baixo recalque e, a primeira, de alto recalque. A escolha de uma ou de outra alternativa deverá ser feita mediante um estudo técnico e econômico, em que serão comparadas as vantagens e as desvantagens das duas.

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COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

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Figura 2.10 - Estações c1evatórias: a) alto rccalquc; b) baixo rccalque.

2.8.

SISTEMAS ALTERNATIVOS ESGOTO SANITÁRIO

PARA COLETA E TRANSPORTE

DE

As redes de esgotos representam cerca de 75% do custo de implantação de um sistema de esgoto sanitário, os coletores tronco 10%, as elevatórias I%, e as estações de tratamento 14%. Devido ao alto custo de construção das redes, têm sido apresentadas, por alguns autores, sistemas alternativos para coleta e transporte, visando a diminuição dos custos das redes de esgotos. Os principais sistemas são: • • • •

sistema condominial de esgoto; redes de coleta e transporte de esgoto decantado; rede pressurizada e a vácuo; rede coletara de baixa decl ividade com a utilização do dispositivo gerador de descarga.

2.8.1.

Sistema Condominial

2.8.1.1.

Origem e aplicação

DE ESGOTO

SANITÁRIO

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DE SISTEMAS

à dos ramais multifamiliares de esgoto dos edifícios de ,apartamento, sendo que no lu ar de rédios e a artamentos tem-se quadras e casas. '-No aspecto físico, o ramal condominial, constitui uma rede de tubulações que passa quase sempre, entre os quintais no interior dos lotes, cortando-os, no sentido transversal. Intercalada nesta rede interna à quadra, de pequena profundidade, encontra-se em cada quintal, uma caixa de inspeção à qual se conectam as instalações sanitárias prediais, independentemente, constituindo um ramal multifamiliar. No aspecto social, resulta da formação de um condomínio, ou de condomínios, na quadra urbana, abrangendo o conjunto dos usuários interligados pelo ramal multifamiliar. O condomínio, informal, é alcançado através de pacto entre vizinhos, o qual possibilita o assentamento dos ramais em lotes particulares e disciplina a participação dos condôminos no desenvolvimento dos trabalhos. A execução das obras é realizada pelos usuários do sistema com a ajuda do município ou empresa de saneamento básico. Para Andrade Neto (1991) é fundamental a formação de condomínios, sendo que o traçado do ramal deverá ser o mais racional e eficaz, em face da realidade local, ou seja, maior relação benefício/custo quanto à segurança sanitária e ao alcance social. De fato, pouco importa se o ramal é locado nos quintais, nas calçadas ou nas ruas, dependendo da racional idade imposta pelas condições locais. O traçado mais racional é discutido com os usuários e apresentado como padrão do serviço, permitindo modificações, desde que sejam assumidos os ônus adicionais por quem assim desejar. A operação e manutenção desse ramal é de responsabilidade do próprio condomínio a que serve, cada condômino assumindo a parcela do sistema situado em seu lote. No local mais conveniente, por exemplo, um ponto baixo da quadra, de preferência onde existe espaço livre entre duas casas, o ramal sai da quadra e lança os esgotos em uma caixa de passagem, localizada no passeio, que integra a rede coletora do sistema. A figura 2.11 apresenta um exemplo do sistema condorninial, com traçado da rede em forma de condomínio dentro de uma quadra.

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O sistema condominial foi desenvolvido no Rio Grande do Norte, espalhandose para outros estados brasileiros com pequenas adaptações. Esse sistema é uma forma de concepção do traçado de redes, onde ~ia central de sua implementação é a fonnação de condomínios em ru os de usuários a nível de uadra urbana como unidade de esgotamento. '

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COLETA

E TRANSPORTE

CONCEPÇÃO

DE ESGOTO SANITÁRIO

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2.8.1.2.

Características

DE SISTEMAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

27

técnicas

) Para o dimensionamento do sistema condominial podem ser utilizados as técnicas convencionais, conforme pode ser visto no capítulo 4. Entretanto, tem sido apresentado por alguns autores, as seguintes recomendações:

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• diâmetro da ligação ao ramal condominial: 100 mm, com declividade mínima de 1%;

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• utilização das caixas de inspeção no interior das quadras, com recobrimento mínimo de 0,30 m.

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Comparação

entre o sistema condominial

São apresentadas nas figuras 2.12 e 2.13 as ligações prediais do sistema convencional e do sistema condominial, para o esgotamento de quatro quadras. Pelo que se observa na figura 2.12, haverá a necessidade de 80 ligações prediais ao coletor público, para o atendimento das quadras, considerando o sistema convencional. Para o sistema condominial as ligações ao coletar público serão de apenas quatro, conforme apresentado na figura 2.13. Além da diminuição do número de ligações, haverá uma sensível diminuição da extensão dessas ligações, e também, poderá haver uma diminuição de comprimento da rede pública, conforme se observa nas figuras 2.12 e 2.13.

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2.12 - Sistema convencional.

Fonte: Azevedo Netto (1992).

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DE ESGOTO SANITÁRIO

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2.13 - Sistema condominial.

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DE SISTEMAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

29

• utilização de tanques sépticos domiciliares especiais, com dispositivo para a secagem do lodo; • substituição de poços de visitas por tubos de inspeção e limpeza; • utilização de tubos plásticos com diâmetro mínimo de 40 mm; • velocidade mínima na rede de 0,05 m/s; • a tubulação pode funcionar a seção plena; • tratamento utilizando um filtro anaeróbio segundo esquema concebido pelo autor. Para Cynamon, o sistema de Brotas teve um custo de 1/5 do que teria o sistema convencional. O autor considera que esses critérios podem ser muito úteis para pequenas comunidades, lembrando que Brotas tinha cerca de 2 000 habitantes e a taxa de consumo de água adotado no projeto foi de 100 f/hab.dia. Com esses critérios, a taxa de infiltração foi praticamente desprezada.

Fonte: Azevedo Netto (1992).

2.8.3.

Redes pressurizadas

e a vácuo

As principais vantagens do sistema condominial são: • menor extensão das ligações prediais e.coletores públicos; • baixo custo de construção dos coletores, cerca de57,5% mais econômicos que os sistemas convencionais (Azevedo Netto - 1992); . • custo menor de operação; • maior participação dos usuários. Como principais desvantagens, destaca-se: • uso indevido dos coletores de esgoto, tais como, lançamento de águas pluviais e resíduos sólidos urbanos; • menor atenção na operação e manutenção dos coletores; • coletores assentadas em lotes particulares, podendo haver dificuldades na inspeção, operação e manutenção pelas empresas que operam o sistema; • o êxito desse sistema depende fundamentalmente da atitude dos usuários, sendo imprescindíveis uma boa comunicação, explicação, persuasão e treinamento. 2.8.2 Redes de coleta e transporte

de esgoto decantado

Esse sistema foi utilizado na cidade de Brotas, no Ceará, e foi projetado pelo Prof. Szachna Elias Cynamon da Faculdade de Engenharia daUERJ, e apresenta as seguintes diferenças em relação ao sistema convencional:

Nos casos em que a topografia é adequada, as tubulações de esgotos por gravidade; são e continuarão sendo, as mais utilizadas. Porém; onde a topografia é desfavorável, lençol freático alto, solo estruturalmente instável ou rochoso, podem ser necessários estações elevatórias e linhas de recalque. Para se solucionar tais dificuldades, foram desenvolvidas, como alternativas, redes pressurizadas e a vácuo. Devido ao fato de esses sistemas estarem sendo, continuamente melhorados, aconselha-se a obtenção de dados operacionais, pesquisa bibliográfica e consulta aos fabricantes de equipamentos, na ocasião da implantação do sistema. 2.8.3.1.

Redes Pressurizadas

~) Os principais componentes do sistema de redes pressurizadas são apresentados na figura 2.14. . Na maioria dos sistemas de redes pressurizadas, os esgotos dos estabelecimentos são coletados individualmente por tubulações funcionando por gravidade e são lançados em tanques, que servirá como um pequeno reservatório. Do tanque, o esgoto é lançado periodicamente a urnatubulação principal, trabalhando sob pressão, por meio de bomba trituradora, capaz de triturar os sólidos presentes no esgoto. Um tanque e uma bomba são necessários a cada ponto de lançamento na tubulação sob pressão. Para se reduzir custos de investimento e de operação, um único conjunto, tanque e bomba, poderá servir vários estabelecimentos. Da tubulação principal, sob pressão, o esgoto pode ser lançado em coletor por gravidade ou em estação de tratamento de esgoto.

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COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

CONCEPÇÃO

SANITÁRIO

2.8.3.2.

DE SISTEMAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

31

Redes a vácuo

As principais características de um sistema de tubulações", vácuo estão representadas na figura 2.15, e os principais parâmetros para dimensionamento, na tabela 2.2.

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Figura 2.14 - Principais componentes (/981).

de redes pressurizadas.

Fonte: Adaptado de Metcalf & Eddy

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Valores típicos para o dimensionamento de sistemas de redes pressurizadas são apresentados na tabela 2.1. Figura 2.15 - Principais componentes Tabela 2.1 - Parârnctros de projeto para o dimensionarnento

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Tabela 2.2 - Parârnctros de projeto para o dimcnsionamcnto

Parâmetros de Projeto Bomba,kW 2 Pressão na bomba, kN/m Diâmetro de recaI que, mm Diâmetro da tubulação principal, mm

Faixa de Valores

Valor Típico

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'Depende do projeto Fonte: MetcaIf & Eddy (/981).

o sistema de redes pressurizadas elimina a necessidade de pequenas estações elevatórias. Porém, haverá a necessidade de se ter em cada lançamento na tubulação principal, uma bomba com triturado r que, além do custo inicial, acarretará em custos de operação e de manutenção. No Brasil não existe nenhum sistema de rede pressurizada implantado.

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de redes a vácuo. Fonte: Adaptado de Metcalf & Eddy (1981).

de redes pressurizadas.

Parâmetros

de redes a vácuo.

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Altura do nível de água na válvula de descarga a vácuo, mm Diâmetro da tubulação a vácuo,' mm Vácuo mantido no tanque na elevatória,

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FOI/te: Metcalf & Eddy (1981).

Nesse sistema, o esgoto de cada economia é encaminhado, por gravidade, ao injetor de vácuo (válvula de vácuo especialmente projetado). A válvula sela a linha que se liga a tubulação principal permitindo que se mantenha o nível de vácuo requerido. Quando uma quantidade de esgoto se acumula a montante da válvula, a mesma é programada para a abertura e fechamento depois da entrada do líquido acumulado.O vácuo no sistema é mantido através de uma estação de bombeamento

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1.1 )

COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

CONCEPÇÃO

33

DE SISTEMAS DE ESGOTO SANITÁRIO

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) a vácuo. Essa estação pode estar localizado próximo à estação de tratamento de esgoto ou qualquer outro ponto de lançamento. No Brasil não existe nenhum sistema com rede a vácuo implantado.

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:( 2.8.4. Rede coletora de baixa declividade com. a utilização do Dispositivo Gerador de Descarga (DGD)

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Em áreas planas ou onde o terreno apresenta baixas dec1ividades, a implantação e operação de redes coletoras de esgoto sanitário pode tomar-se bastante onerosa. Estas condições estão presentes, por exemplo, em um grande número de cidades litorâneas da costa brasileira. Nestes locais tem-se, não raramente, uma situação de áreas planas, solos moles e lençol freático alto exigindo disposições construtivas especiais, tais como: escoramento contínuo de valas, rebaixamento do lençol, fundações especiais para a tubulação etc. Em conseqüência, a incidência dos custos relativos à escavação, escoramento, reaterro e recomposição da via se situa na faixa dos 80% a 90% do custo total de implantação. O custo de implantação e operação em áreas planas eleva-se também pelo emprego de estações elevatórias de esgoto nestes locais. A busca de soluções de menor custo de implantação e operação de redes coletoras para as situações antes descritas, levou ao desenvolvimento das redes coletoras de baixa declividade. Trata-se de solução onde a rede é assentada a dec1ividades drasticamente reduzidas, bem menores que as resultantes dos cálculos propostos na normalização com as vazões originais de dimensionamento. O esquema apresentado na figura 2.16 ilustra a concepção da solução desenvolvida pelo engenheiro Wolney Castilho Alves do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A. - lPT, que também desenvolveu o Dispositivo Gerador de Descarga (DGD), cujos detalhes são apresentados na figura 2.17. O DGD pode ser empregado na cabeceira da rede, bem como em trechos intermediários. Considerando o fenômeno do transporte hidráulico dos sólidos presentes no esgoto, pode-se para fim de desenvol vimento do raciocínio, estabelecer o seguinte esquema: Uma determinada carga de sólidos está depositada no fundo da tubulação numa seção S situada a jusante do trecho ilustrado na figura 2.16. O transporte desta carga de sólidos para uma posição mais a jusante requer que uma certa descarga líquida a movimente. Essa descarga poderia ser representada através de um hidrograma de tensão trativa ao longo do tempo, por exemplo. Poder-se-ia também imaginar que o transporte de sólidos requer um certo hidrcgrama "mínimo", ou seja, que apresentasse valores mínimos necessários para a movimentação. A figura 2.16a) ilustra um trecho projetado respeitando a hipótese de que o citado hidrograma é originado pela descarga da última unidade que contribui à rede, designada por n na figura, ou por unia combinação das descargas de duas ou mais

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COLETA

E TRANSPORTE

CONCEPÇÃO

DE ESGOTO SANITÁRIO

unidades de contribuição. Na figura 2. 16b), para um coletor atendendo ao mesmo trecho, porém com uma declividade muitíssimo menor, observa-se a montante do trecho a presença de um dispositivo gerador de descargas (DGD) que através de suas descargas de esgoto origina uma escoamento cujo hidrograma na seção de referência é aquele requerido para o transporte da carga sólida depositada. O DGD ao descarregar origina uma onda que escoa pela tubulação atenuandose ao longo de sua extensão. Observações laboratoriais mostraram que esta onda tem frente íngreme, adequada ao transporte de sedimentos (Alves, 1997). O escoamento originado se dá tipicamente em regime não permanente incluindo zonas de variação muito rápida na frente de onda e de variação gradual na cauda da onda. A tecnologia descrita conta com patente em nome do IPT e da FAPESP e seu desempenho acha-se em fase comprobatória em trecho piloto implantado em rede coletora da SABESP (ano de 1999), na cidade de Guarujá, Estado de São Paulo. Estimativas preliminares mostram que o custo de implantação de redes coletoras de baixa declividade pode ser cerca de 20 a 25% menor que o de redes convencionais. Consideradas as diminuições nos custos de implantação e operação advindas da redução do número de estações elevatórias, ter-se-iam resultados ainda mais vantajosos,

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REFERÊNCIAS

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ALEM SOBRINHO, P.; TSUTIYA, M.T. - Critérios de projeto. Sistema de coleta e transporte de esgotos sanitários. CETESB. São Paulo.1987

) )

ALVES, W. - Desenvolvimento de dispositivo gerador de descargas intermitentes aplicados a redes coletoras de esgoto. Anais do I Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. Natal, 1993. ABES, Rio de Janeiro, 1993.

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) )

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DE ESGOTO

SANITÁRIO

35

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CAPÍTULO

3

VAZÕES DE ESGOTOS

3.1

INTRODUÇÃO

Em nosso país, os sistemas públicos de esgotos são projetados considerando-se o sistema separador absoluto e tendo acesso à rede coletora os seguintes tipos de líquidos residuários: • esgoto doméstico; • águas de infiltração; • resíduos líquidos industriais.

o conjunto 3.2

desses líquidos é denominado esgoto sanitário.

ESGOTO DOMÉSTICO

o esgoto doméstico é um despejo líquido resultante do uso da água pelo homem em seus hábitos higiênicos e necessidades fisiológicas. A contribuição de esgoto doméstico depende dos seguintes fatores: • população da área de projeto; • contribuição per capita; • coeficiente de retomo esgoto/água; • . coeficientes de variação de vazão. Esses fatores, serão enfocados a seguir, 3.2.1 População da Área de Projeto Para o estudo da projeção populacional dos municípios e distritos, a serem utilizados no projeto de sistemas de abastecimento de água e de esgotos sanitários, devem ser levados em consideração os seguintes aspectos:

J) )

) I

)

I

J, ) )

38

)

)

COLETA E TRANSPORTE

• qualidade das informações que servirão de base para a projeção populacional; • efeito do tamanho da área, pois em geral, para áreas pequenas os erros esperados numa projeção populacional são maiores; o período de tempo alcançado pela projeção, quanto mais longo, maiores serão os erros esperados; • compatibilização das diversas projeções realizadas, para diferentes níveis geográficos.

) )

), ~

) A evolução do crescimento populacional das áreas urbanas, deve ser estudada de forma complementar e harmônica ao estudo de uso e ocupação do solo, considerando o município como um todo. Se o município for composto por mais de um distrito, deve-se estudar e projetar a participação de cada distrito na população total do município.

~ ) ;

1: I

)1;l '

VAZÕES

DE ESGOTO SANITÁRIO

DE ESGOTOS

39

Com os dados censitários e a população atual, inferida através das chamadas variáveis sintomáticas (ligações de água, luz, imposto predial), a projeção da população deve ser feita utilizando a expressão matemática que melhor se ajustar aos dados históricos levantados. A participação de cada distrito (se houver mais que um) deve ser estudada e projetada tendo como parâmetro a população total do município. Definida a população do distrito, deve-se estudar e projetar a participação da população da área de projeto, na população total do distrito que a contêm.

3.2.1.1

Métodos para o estudo demográfico

Diversos são os métodos aplicáveis para o estudo demográfico, destacando-se os seguintes:

t

, Para Martins (1993) esse estudo deve ser feito com a seguinte metodologia:

~il

;11

~II -1 1

lI! I'

)

I

), ),

):

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): I i! I

)

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)

'I

,

• levantamento, nos últimos quatro censos, dos dados populacionais da sede do município e distritos, quanto à população residente urbana e rural e nú- , mero de habitantes por domicílio considerando população residente e domicílios ocupados; • levantamento e mapeamento dos setores censitários da área de projeto, sua população residente e número de domicílios ocupados no últimos dois censos; • levantamento dos dados mais atuais do número de ligações de luz e ligações de água (residenciais, comerciais, industriais e públicas), bem como, os respectivos índices de atendimento; • levantamento na prefeitura do número de contribuintes do imposto predial; • pesquisa de campo com amostra representativa da área de projeto, para definir os parâmetros urbanísticos e demográficos da ocupação atual, assim como: diferentes usos, padrão econômico, tamanho médio do lote, domicílios por lote, habitantes por domicílo, índice de verticalização, percentual de área institucional etc.; • levantamento de planos e projetos (industriais, habitacionais, transportes, agropecuários etc.) que existam para a região, municípios e/ou distritos, que' possam afetar a dinâmica populacional e os usose ocupação do solo; • análise do Plano Diretor do Município quanto a sua real utilização e atualidade, bem como as diretrizes futuras; • análise sócio-econômica do município e seu papel na região e/ou sub-região em que se insere.

• método dos componentes demo gráficos; • métodos matemáticos; • método de extrapolação gráfica. a) Método dos componentes

demográficos

Este método considera a tendência passada verificada pelas variáveis demográficas: fecundidade, mortalidade e migração, e são formuladas hipóteses de comportamento futuro. A expressão geral da população de uma comunidade, em função do tempo, pode ser expressa da seguinte forma: P=Po +(N -M)+(I -E)

(3.1)

onde: P = população na data t; P o = população na data inicial to; N = nascimentos (no período t-t.); M = óbitos; I = imigrantes no período; E = emigrantes no período; N-M = crescimento vegetativo no período; I-E = crescimento social no período.

o método dos componentes parte de uma divisão da população de base em grupos ou subgrupos homogêneos. Para cada grupo são aplicadas as correspondentes taxas de fecundidade, mortalidade e migração com o propósito de' calcular a população do próximo período da projeção, período este que será a base da popu-

)

I

)~

40

VAZÕES COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

lação para o período seguinte. Este procedimento é então repetido até a extensão final a ser projetada. Para a projeção da população da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) no período compreendido entre 1995 a 2015, foi utilizado o método dos componentes. Para Stefani e Rodrigues (1996) o ponto de partida para essa projeção foram os municípios, sendo que a Região Metropolitana de São Paulo é constituída por 92 diferentes zonas administrativas, considerando-se todos os distritos e subdistritos do município de São Paulo e demais municípios que compõem a RMSP. A heterogeneidade dessas 92 zonas é bastante acentuada, as variáveis intervenientes são muitas e de comportamento, em geral, de dificil previsibilidade, tomando-se temerário prever o comportamento demográfico e sócio-econômico de cada uma dessa zonas isoladamente. A metodologia utilizada para a elaboração dos estudos demográficos consistiu em projetar a população da RMSP como uma macrozona, onde as variáveis são muito mais previsíveis e as tendências são sempre mais constantes, com menor grau de oscilação e maior inércia. Para a projeção populacional foram analisadas as tendências de cada uma das três variáveis demo gráficas básica - mortalidade, fecundidade e migração - separadamente, reunindo-as, depois, no processo técnico de projeção. Como essa três variáveis não existem isoladamente, não se pode projetáIas utilizando-se funções matemáticas sem levar em conta os complexos fatores sócio-econômicos-culturais e.ambientais que as afetam, condicionam e mesmo as determinam. As principais tendências sócio-econômicas da RMSP analisadas foram: • • • • •

DE ESGOTOS

tendências sócio-econômicas do processo de metropolização; tendências demo gráficas globais; tendências da mortalidade; tendência da fecundidade; tendência migratórias e população recenseada da RMSP.

41

b) Métodos matemáticos Neste caso, a previsão da população futura é estabelecida através de uma equação matemática, cujos parâmetros são obtidos a partir de dados conhecidos. Vários são os métodos matemáticos conhecidos, destacando-se: aritmético, geométrico, taxa de crescimento decrescente e curva logística. • Método aritmético Este método presssupõe uma taxa de crescimento constante para os anos que se seguem, a partir de dados conhecidos, por exemplo, a população do último censo. Matematicamente, pode ser representado da seguinte forma:

I: ) 'i

)

j I

)

i

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II )

r )

li ) r( ) I( )

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ir )

=k

dP dt

r~

(3.2)

a

nos quais dP/dt representa a variação da população (P) por unidade de tempo (t), e k, é uma constante. Considerando que PI é a população do penúltimo censo (ano ti) e P2, a população do último censo (ano t2), tem-se: (3.3)

!

I· ) \,

) ) /

)

I) I )

I )

)

Integrando entre os limites definidos, tem-se: P2

-

PI = k, (t2

onde: ka

-

ti)

P2 -PI

= ---

t2 -

ti

(3.4) (3.5)

)

I, ) Ir)

l'

I ) Conhecendo-se a população base, referida a 1990, e a projeção de tendências de fecundidade, de mortalidade e de migrações, até o ano 2015 e para os anos intermediários, procedeu-se a projeção populacional. Segundo esse estudo, a RMSP terá um crescimento cada vez mais lento, chegando-se a quase estabilização no ano 2015, com taxa de crescimento igual a 0,2% ao ano no último quinquênio. Nas duas próximas décadas, a população deverá crescer apenas 25%, aproximadamente quatro milhões de pessoas, passando de 16,6 milhões de habitantes em 1990 a 20,6 milhões em 2015, crescimento pequeno se comparado ao de décadas passadas (Stefani e Rodrigues, 1996).

Utilizando-se a equação (3.5), chega-se à expressão geral do método aritmético:

il) )

(3.6)

) onde t representa o ano da projeção. Este método admite que a população varie linearmente com o tempo e pode ser utilizado para a previsão populacional para um período pequeno, de 1 ~ 5 anos. Para previsão por período muito longo, toma-se acentuada a discrepânCia com a realidade histórica, uma vez que o crescimento é pressuposto ilimitado.

I) I) (

)

I) (

) )

"") )

) ) )

42

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

VAZÕES

SANITÁRIO

Integrando-se

• Método geométrico

DE ESGOTOS

43

entre os limites, obtém-se:

) ) )

Este método pressupõe que o crescimento da população é proporcional a população existente em um determinado ano. A sua formulação matemática pode ser apresentada da seguinte forma:

(3.12)

o valor

) dP ==k P dt g

)

de k, será calculado

por:

(3.7)

) onde as variáveis são as mesmas já definidos representa a taxa de crescimento geométrico. Integrando a equação (3.7) tem-se:

)

) )

anteriormente,

exceto

Quanto à população de saturação, poderá ser determinada da mesma forma que no método da curva logística.

k ==_P._nP~2_-_P.n_P_,

)\

g

(3.14)

kg que

pela expressão

(3.16),

(3.8)

t2 - t,

• Método da curva logística

) Portanto

)

a expressão

geral do método geométrico

é dada pela equação:

)

(3.9)

): I

), ).

): j

I

• Método da taxa de crescimento

I

)1

I

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/1

li

)

)1 )' ) II

J .

)

Para as equações (3.8) e (3.9) poderá ser utilizado o logarítimo na base 10. Este método considera que o logarítimo da população variando linearmente com o tempo. Também neste caso o crescimento é pressuposto ilimitado. Pode ser utilizado para estimativa da população para um período pequeno, I a 5 anos.

I

~

decrescente

A população é estimada com base na hipótese de que, com o crescimento da área urbana a taxa de crescimento anual toma-se menor. Neste caso, estima-se uma população de saturação (K) e calcula-se a taxa de crescimento decrescente (kd). Matematicamente,

esse método tem o seguinte equacionamento:

Admite-se, neste caso, que o crescimento da população obedece a uma relação matemática do tipo Curva logística, nos quais a população cresceassintoticamente em função do tempo para um valor limite de saturação (K). A equação

P==

logística

K

(3.10)

ff1 (K dP_ P) --

(3.11)

P2

k fIZ dt d Jq

(3.15)

1+ ea-bt

onde a e b são parâmetros e e a base dos logarítimos neperianos. O parâmetro a é um valor tal que, para t ==a/b, há uma inflexão (mudança no sentido da curvatura) na curva; o parâmetro b é a razão de crescimento da população. Esses parâmetros são determinados a partir de três pontos conhecidos da curva Po (to), PI (ti) e P2 (t2) igualmente espaçados no tempo, isto é, tl-tO=t2-tl• Os pontos Po, PI e P2 devem ser tais que p()
dP ==k (K _ P) dt d

é da seguinte forma:

daequação

da curva logística são definidas

através

sões que se seguem:

(3.16)

das expres-

I)~ )

44

COLETA E TRANSPORTE

b=

INTERCEPTORES

DE ESGOTO SANITÁRIO

1 10gPO(K-PI) 0,4343d PI(K - Po)

1 a=--log-0,4343

(3.17)

K-Po Po

(3.18)

sendo d, o intervalo constante entre os anos to, ti e t2• A curva logística possui três trechos distintos: o primeiro correspondente a um crescimento acelerado, o segundo a um crescimento retardado e o último a um crescimento tendente à estabilização. Entre os dois primeiros trechos, fica um ponto de inflexão (I).

DE ESGOTO

45

Método de extrapolação

:5 ::l o..

o o..

K

)

) ) I) I) ()

) (

)

(

)

,)

gráfica

A extrapolação gráfica, também denominada de método de prolongamento manual, consiste no traçado de uma curva arbitrária que se ajusta aos dados já observados, sem se procurar estabelecera equação da mesma. As extrapolações ou previsões de populações futuras obtém-se prolongando a curva, de acordo com a tendência geral verificada, usando um julgamento próprio. No prolongamento do crescimento, podem ser utilizados como elementos auxiliares, os dados de populações de outras comunidades que já tenham maior número de habitantes. (figura 3.2). Este método requer uma escolha criteriosa dos dados a serem usados como elementos de comparação, levando-se na devida conta as condições de semelhança entre os respectivos fatores de desenvolvimento.

o-

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IJ

o

,<{

)

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Para as localidades classificadas na categoria a) a projeção se fez com o emprego de uma curva logística ajustada com os dados dos censos de 1970 e 1980. Para as localidades classificadas na categoria b), cuja taxa de crescimento entre os dois últimos censos foi superior a5%, o modelo de projeção foi o mesmo utilizado para as localidades da categoria a), exceto com referência a assíntota K. Foi estabelecido o valor de K igual a cinco vezes a população do censo de 1980. Nas localidades classificadas na categoria c), nas quais se registraram decréscimo da população urbana entre os censos de 1970 e 1980, optou-se por manter a população do censo de 1980 constante, por todo o horizonte de projeção. O valor de K foi fixado exogenamente para cada cidade, sob a hipótese de que a densidade de saturação da área urbana seria de 15 000 hab/km' e que essa área urbana não ultrapassaria 30% da área total, o que implica em um valor de K = 4 500A" onde A, é a área total do município em krn". c)

I

,

)

I) !) (

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3.2.1.2

Como exemplo de aplicação da curva logística, pode-se destacar o estudo para a projeção populacional das cidades do interior do Estado de São Paulo (Alem Sobrinho e Tsutiya, 1987). Nesse estudo, as cidades foram divididas em três categorias:

É a população que se estabelece no núcleo urbano por curtos períodos de tempo, como no caso dos municípios de veraneio, estâncias climáticas e hidrominerais. A avaliação da população flutuante pode ser feita a partir das informações do censo demográfico discriminando os domicílios por tipo de ocupação: residencial, ocasional, fechado e vago, permitindo estimar a proporção entre os domicílios de uso ocasional e os de uso residencial. Outra fonte para realizar esta avaliação são as séries de informações sobre o consumo de energia elétrica das concessionárias de energia elétrica, que conta com informações detalhadas para significativa parte dos municípios, e sua cobertura é geralmente bastante elevada. Avalia-se as faixas de consumo e obtém-se o número

População

flutuante

, ) ,

)

() I

a) localidades com taxa de crescimento positivo e inferior a 5% entre os censos de 1970 e 1980; b) localidades com taxa de crescimento positiva e superior a 5% entre os censos de 1970 e 1980; c) localidades que apresentaram taxa de crescimento negativa entre os censos de 1970 e 1980.

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ANO

Figura 3.1 - Curva logística.

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COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

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a. c. o e E representam curvas de crescimento de comunidades maiores com caracteristicas semelhantes

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Comunidade

47

Distribuição demo gráfica

em estudo

I

} ) Ano

Figura 3.2 - Previsão da população por extrapolação gráfica

de domicílios de uso ocasional pela diferença com o total de domicílios. Calcula-se, então, coeficientes entre os domicílios de uso ocasional e de uso residencial, ajustando-se uma função matemática sobre estas relações, afim de extrapolar para o período da projeção, não deixando de levar em consideração fatores como o potencial turístico, a acessibilidade, os aspectos econômicos etc. Para a estimativa da população flutuante na Baixada Santista, Estado de São Paulo, foram analisadas os seguintes indicadores (SABESP, 1996): • • • •

DE ESGOTOS

A estimativa do número de domicílios permanentes baseou-se na adoção de uma taxa decrescente de ocupação dos domicílios, em conformidade com a tendência verificada. Estimou-se que no horizonte de projeto a taxa de ocupação dos domicílios permanentes na Baixada Santista chegará a 3,0. Quanto a taxa de ocupação dos domicílios de uso ocasional foi considerado o valor de 6,5 pessoas por domicílio, no período de maior afluxo da população (carnaval). Para a estimativa da população no Litoral Norte, Estado de São Paulo, considerou-se para a população fixa, a ocupação de 20 a 50% do número de imóveis ou economias, dependendo das características das praias, adotando-se a relação 4 habitantes por economia. Para população flutuante, considerou-se a ocupação de 50 a 80% do número de economias, adotando-se a relação 7 habitantes por economia, no período de carnaval (Tsutiya et aI., 1996). 3.2.1.3

) I )\

variação do consumo de energia elétrica; variação do consumo de água; .variação do fluxo de veículos no sistema Anchieta-Imigrantes; crescimento da capacidade instalada na região para alojamento.

As projeções realizadas utilizaram esse indicadores como balizadores das taxas de crescimento adotadas. Essas projeções tomaram como referência também as condições de saturação das praias (m2/banhista) e de alojamento na região. Nesse particular, ressalta-se que os domicílios permanentes foram considerados, também, como parte do potencial da região para abrigar população flutuante.

)

V AZÕES

SANITÁRIO

Para a elaboração dos projetos de esgoto sanitário e de abastecimento de água, há necessidade de se conhecer a distribuição da população atual da área de projeto e a evolução dessa distribuição a nível deadensamentos e ocupação de novas áreas, ao longo do período do projeto. A densidade atual pode ser estimada através dos dados dos setores censitários, de ligações de energia elétrica, de água, ou através de pesquisas em campo com amostras representativas de contagem de domicílios e do número de habitantes por domicílio. Para estimativas de densidades demográficas futuras é preciso considerar os seguintes aspectos: • parâmetros da ocupação atual (diferentes usos, padrão econômico, tamanho médio do lote, área institucional, índice de verticalização, habitantes por domicílio etc.); • planos e projetos aprovados e em estudo na Prefeitura Municipal; • características da área: topografia, facilidades de expansão e preço do terreno; • existência de infra estrutura: água, esgoto, águas pluviais, transporte, comunicação etc. Com base na análise da ocupação atual pode-se definir as áreas homogêneas, cujas previsões futuras podem ser feitas mediante os métodos de previsão demográficas já vistos anteriormente. Como as redes de esgotos são normalmente projetadas para uma população de saturação, as densidades de saturação das áreas podem ser definidas pela lei de zoneamento da cidade, caso exista.

) )

48

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

INTERCEPTORES

SANITÁRIO

DE ESGOTO

)

49

) A tabela 3.1 apresenta valores de densidade demográfica e extensão média de arruamentos estimados para a Região Metropolitana de São Paulo. Tabela 3.1 - Densidades demográficas e extensões médias de arruarnentos por hectare estimados para a Região Metropolitana de São Paulci.

Características

urbanas dos bairros

Densidade demo gráfica de saturação (hab/ha)

Extensão média de arruamentoslha (m)

100

150

120

180

lll Bairros residenciais populares com lote padrão de 250 m •

ISO

200

IV Bairros mistos residencial - comercial da zona central, com predominância de prédios de 3 e 4 pavimentos

300

150

V Bairros residenciais da zona central com predominância de edificios de apartamentos com 10 e 12 pavimentos.

450

150

600

ISO

I Bairros residenciais de luxo com lote padrão de 800 m', II Bairros residenciais médios com lote padrão de 450 m', 2

VI Bairros mistos residencial-comercial - industrial da zona urbana com predominância de comércio e indústrias artesanais e leves. VII Bairros comerciais da zona central com predomínância de edificios de escritórios.

3.2.2 Contribuição

I 000

200

Per Capita e por Economia

A contribuição de esgotos depende normalmente do abastecimento de água, ~avendo, portanto, nítida correlação entre o consumo de água e a contribuição para .•a rede de esgotos. . . Tradicionalmente em nosso país utiliza-se o consumo per capita usado para ro' etos de sistemas de abastecimento de á!llia, para se projetar o sistema de esgotos. Convém ressaltar ue ara o rojeto de sistemas de abastecimento de água, adota-se o consumo er capita para satisfazer ao consumo doméstico, ao consumo ~omercial, ao consumo das indústrias que não utilizam água em seus rocessamentos ,ao consumo úblico e às Qerdas. Entretanto ara o dimensionamento do sistema de es otos deve ser utilizado o consumo de água e etivo j2el' ca ita, não incluindo_ as perdas de águª" -O consumo per capita é um parâmetro extremamente variável entre diferentes localidades dependendo de diversos fatores, dentre os quais destacam-se: os hábitos higiênicos e culturais da comunidade; a quantidade de micro-medição do sistema de abastecimento; as instalações e equipamentos hidráulico-sanitários dos imóveis; os controles exercidos sobre o consumo; o valor da tarifa e a existência ou não de subsídios sociais ou políticos; a abundância ou escassez de mananciais; a

intermitência ou regularidade de abastecimento; a temperatura média da região; a renda familiar; a disponibilidade de equipamentos domésticos que utilizam água em quantidade apreciável; os índices de industrialização; a intensidade e tipo da atividade comercial, entre outros. contribuição per capita de esgoto é o consumo de água efetivo per capita multiplicado pelo coeficiente de rctom~ Na tabela 3.2 são apresentados os consumos de água efetivo per capita e o consumo por economia da Unidade de Negócio Pardo e Grande da Vice Presidência do Interior da SABESP, com sede em Franca, Estado de São Paulo, para o período de 1995 a 1997. Essa Unidade de Negócio atende 100% da população urbana com serviços públicos de abastecimento de água e coleta de esgoto sanitário, sendo que 100% do sistema de água é medido. Para os municípios da Baixada Santista, Estado de São Paulo, foram adotados os índices de consumo efetivo por economia, uma vez que, nesse caso o consumo per capita induz a distorções devido ao acentuado afluxo turístico ao longo do ano e, sobretudo, no período de alta temporada. Os consumos por economia foram discriminados para duas situações distintas (SABESP, 1996):

) ) )

1fA

• Verão, correspondentes aos meses de janeiro e fevereiro, em que são registrados o maior afluxo de população flutuante e o maior consumo de água; • Restante do ano, correspondente aos demais meses do ano, inclusive o mês de julho em que, apesar da férias escolares, não se tem registrado incremento no consumo médio de água. A tabela 3.3 apresenta o consumo de água efetivo por economia dos municípios da Baixada Santista, para o período de 1995 a 2015, considerando o verão e o restante do ano. Para a Região Metropolitana de São Paulo, a SABESP (1995) utilizou o consumo efetivo médio mensal por economia para a projeção de demandas de água necessários ao abastecimento de água da região. A tabela 3.4 apresenta o resultado de levantamento de consumo de água por categorias de consumidores' da rede pública. . Estudos estatísticos indicam que na Região Metropolitana de São Paulo o consumo de água efetivo per capita é de 242 R/hab.dia (Hidroplan, 1995). A figura 3.3 apresenta a comparação do consumo de água efetivo per capita da RMSP com outras capitais brasileiras, com base nas informações constantes dos Catálogo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental - CABES XVI de 1992 e CABES XVII, de 1994, editados pela Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Arnbiental- ABES.

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Tabela 3.2 - Consumo de água efetivo per capita e eonsumo por economia da Unidade de Negócio Pardo c Grande da Vice Presidência do Interior da SABESP.

Município

População Habitantes/ Urbana domicílio 1997 (hab ) 1997

Águas da Prata Altair Buritizal Cajuru Cássia Coqueiros Colômbia Divinolândia Espírito Sto. Pinhal Franca Guariba Icém Igarapava Itirapuá Itobi Jaborandi Jeriquara Mococa Pedregulho Restinga Ribeir Corrente Rifaina Sta. Rosa Viterbo Sto. Ant. Jardim São João B. Vista Serra Azul Terra Roxa

8.314 2.781 3.066 20.917 1.718 6.573 6.446 36.229 266.246 31.194 6.128 24.905 4.653 5.435 5.451 3.101 57.803 10.698 3.991 3.329 3.796 21.816 3.308 71.573 7.461 7.143

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Consumo micromedido per capita (Ji/hab x dia)

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Consumo micromedido por economia (Rleconomia x dia)

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lndíce de Perdas Médio Anual (%)

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52

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

INTERCEPTORES

SANITÁRIO

Na tabela 3.5 são apresentadas as medições realizadas por diversos autores em sistemas de esgoto sanitário da cidade de São Paulo e cidades do interior do Estado de São Paulo, para a estimativa da contribuição percapita de esgotos. Tabela 3.5 - Valores

medidos

de contribuição

João B. Comparini

Ano

Cardoso, Fernandópolis, Lucélia, e Pinhal (Estado de São Paulo)

1983

Cardoso, Indiaporã, Guarani D'Oeste e Pedranópolis (Estado de São Paulo)

1990

São Paulo

1990

207

Tatuí (Estado de São Paulo)

1995

132

Lineu R. Alonso, Rodolfo J.c. e Silva Jr, & Francisco l.F. Paracampos Milton T. Tsutiya & Orlando Z. Cassettari

Contribuição per capita (€/hab. x dia) (*) 90 149 103 161 106 74 89 103

(*) Valor médio

3.2.3 Coeficiente de Retorno:

53

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Na tabela 3.6 são apresentados os dados coletados em diversas pesquisas realizadas em sistemas existentes, e também, recomendados para projeto por diversos autores, referentes ao coeficiente de retomo. .A NBR 9649 da ABNT recomenda o valor de 0,8 para o coeficiente de retomo, na falta de valores obtidos em campo.

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Local

Autor Dario P. Bruno & Milton T. Tsutiya

per capita de esgoto sanitário.

DE ESGOTO

Relação Esgoto/Água

Qsoeficiente de.retomo é a relação entre o volume de esgotos recebido na rede ,-coletora e o volume de água efetivamente fornecido à população. Do total de água consumida, somente uma parcela retoma ao esgoto, sendo que o restante é utilizado para lavagem de canos, lavagem de calçadas e ruas, rega de jardins e hortas, irrigação de parques públicos, lavagem de quintais, terraços de residências etc. Assim, o coeficiente de retomo depende de fatores locais como a localização e tipo de residência (alto ou baixo padrão), condições de arruamentos das ruas (pavimentado ou não), tipo de clima e outros fatores. . De modo geral, o coeficiente de retomo situa-se na faixa de 0,5 a 0,9, deRendendo das condições locais. Em áreas residenciais com muitos jardins, os valores são menores, enquanto que nas áreas centrais densamente povoadas os valores tendem a ser mais elevados.

3.2.4 Coeficientes

de variação

de vazão

Conhecida a população, o consumo de água efetivo per capita e o coeficiente de retomo, pode-se calcular a vazão média de esgoto doméstico. Entretanto, essa vazão não é distribuída uniformemente ao longo dos dias. A vazão de esgoto doméstico varia com as horas do dia, com os dias, meses e estações do ano, e depende de muitos fatores, entre os quais, a temperatura e a precipitação atmosférica. Para o projeto dos sistemas de esgoto sanitário são importantes os seguintes coeficientes: • K coeficiente de máxima vazão diária - é a relação entre a maior vazão " diária verificada no ano e a vazão média diária anual; • K2' coeficiente de máxima vazão horária - é a relação entre a maior vazão observada num dia e a vazão média horária do mesmo dia; • K3' coeficiente de mínima vazão horária - é a relação entre a vazão mínima e a vazão média anual. Na tabela 3.7 são apresentadas os coeficientes de variação de vazão de esgoto obtidas em medições ou recomendadas para projeto. Para determinar os coeficientes de máxima vazão de esgoto, alguns autores como Babbit e Flores propõem expressões, relacionando o coeficiente de pico com a população (Martins, 1977). Por esses critérios, com o aumento da população o coeficiente de pico diminui. Na falta de valores obtidos através de medições, a NBR-9649 da ABNT recomenda o uso de K, = 1,2, K2 = 1,5 e K3 = 0,5. Esses valores são 'admitidos constantes ao longo do tempo, qualquer que seja a população existente na área. As figuras (3.4a) e (3.4b) apresentam a curva de variação horária da vazão de esgoto sanitário das cidades de Cardoso (vazão máxima de 10 eis) e de Tatuí (vazão máxima de 100 f./s), respectivamente. A figura (3.4c) apresenta a curva de variação horária da bacia afluente à estação de tratamento de esgotos de Barueri, pertencente a Região Metropolitana de São Paulo (vazão máxima de 2 000 eis). Nota-se nas figuras que, quanto maior a vazão, haverá uma diminuição no pico de vazões máximas.

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Tabela 3.6 - Coeficiente de retomo obtidas por medições ou recomendadas para.projeto Local

Ano

José A. Martins

São Paulo

1977

0,7aO,9

Recomendações

para projeto

Azevedo Netto

São Paulo

1981

0,7aO,8

Recomendações

para projeto

Brasil

1986

0,8

Recomendações

para projeto

Cardoso, Guarani D'Oeste e Valentil Gentil (Estado de São Paulo)

1989

0,35 aO,68

São Paulo

1990

Autor

Coeficiente

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de retomo

Condições de obtenção dos valores

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NBR 9649 - ABNT Luis P. Almeida Neto, Gilberto O. Gaspar, João B. Comparini & Nelson L. Silva SABESP

João B. Comparini

Medições em sistemas operando há vários anos

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0,85

Recomendações para projeto - Plano Diretor de Esgotos da Região Metropolitana de São Paulo

1990

0,42 a 0,73

Medições em sistemas operando há vários anos

Tatuí (Estado de São Paulo)

1995

0,52 a 0,84

Medições em sistema operando há vários anos

Steel

EUA

1960

0,7 a 1,3

Para as condições norte-americanas

Fair, Geyer & Okun

EUA

1%8

0,6aO,7

Recomendações

para projeto

Metcalf & Eddy lnc.

EUA

1981

0,7

Recomendações

para projeto

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Cardoso, Pedranópolis, Guarani D'Oeste e Indiaporã (Estado de São Paulo)

Milton t. Tsutiya & Orlando Z. Cassettari

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Tabela 3.7 - Coeficientes de variação de vazão de esgoto

Autor José A. Martins Dario P. Bruno & Milton T. Tsutiya

NBR 9649 - ABNT CETESB

Local

Ano

São Paulo

Coeficiente de variação de vazão

Condições de obtenção dos valores

K)

K2

K3

1977

1,25

1,5

0,5

Cardoso, Femandópo Iis, Lucélia, e Pinhal (Estado de São Paulo)

1983

(*)

1,43 a 1,96

0,11aO,27

Brasil

1986

1,2

1,5

0,5

Recomendações

Itaperna

1986

(*)

1,6

(*)

Medições em sistema operando há vários anos

Cardoso, lndiaporã, Guarani D'Oeste e Pedranópolis (Estado de São Paulo)

1990

1,15 a 1,53

1,45 a2,55

0,03 aO,21

Tatuí (Estado de São Paulo)

1995

Recomendações

para projeto

Medições em sistemas operando há vários anos

para projeto

(Estado de São Paulo João B. Comparini

Milton T. Tsutiya & Orlando Z. Cassettari (*) Valoresnão medidos

Medições em sistemas operando há vários anos < :>

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1,57 a 2,23

0,11 a 0,51 Medições em sistema operando há vários anos

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COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

INTERCEPTORES

DE ESGOTO

)

57

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A SABESP (1989) recomenda para a vazão média igualou inferior a 751 eis, o valor de K = 1,80 (K = K1.K2), ou seja, K, = 1,20 e K2 = 1,50. Entretanto, para vazão média superior a 751 C/s, a equação (3.19).

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o traçado

da curva da equação (3.19) encontra-se no capítulo 5 (figura 5.l) onde se encontram maiores detalhes. Observa-se nessa figura que há uma sensível diminuição dos coeficientes de variação de vazão de esgoto com o aumento da vazão, ou seja, com o aumento da população contribuinte.

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HORAS

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INFILTRAÇÕES

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.As contribuições indevidas nas redes de esgoto podem ser originárias do subsolo - genericamente designadas como infiltrações - ou podem provir do encaminha. mento acidental ou clandestino de águas pluviais. Embora a rede sempre sofra a ação dessas contribuições, a NBR 9649 da ABNT recomenda que apenas a infiltração seja considerada na elaboração dos projetos hidráulico-sanitários das redes coletoras de esgotos. Quanto às contribuições de águas pluviais, segundo a NB568 da ABNT, devem ser consideradas apenas para o dimensionamento dos extravasores dos interceptores de esgoto sanitário. A rigor, as águas pluviais não deveriam chegar aos coletores de sistemas separador absoluto, mas, na realidade, sempre chegam, não somente devido aos defeitos das instalações, mas devido às ligações clandestinas. Para o seu controle, deve ser realizada urna fiscalização efetiva e a vigilância constante do sistema coletar de esgotos. As águas de infiltração são águas subterrâneas originárias do subsolo,quando os sistemas de coleta e afastamento estão construí das abaixo do nível do lençol freático, sendo que este nível pode ser alto naturalmente ou devido às chuvas excessivas. As águas do subsolo penetram nos sistemas através dos seguintes meios:

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HORAS

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HORAS

c) Região Metropolitana

)

de São Paulo

Figura 3.4 - Curvas de variação horâria de vazão de esgotos.

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• pelas juntas das tubulações; • pelas paredes das tubulações; • através das estruturas dos poços de visita; tubos de inspeção e limpeza, terminal de limpeza, ,caixas de passagem, estações elevatórias etc, . '

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58

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COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

VAZÕES

A quantidade de infiltração nas redes de esgoto sanitário depende dos materiais empregados, do estado de conservação, do assentamento das tubulações, bem como das características do solo, nível do lençol freático, tipo de solo, permeabilidade etc. Nas áreas litorâneas com lençol freático à 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. O coletor predial, às vezes, pode assumir importância fundamental para a infiltração devido aos seguintes aspectos:

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A tabela 3.8 apresenta os principais resultados obtidos sobre taxas de infiltração nos sistemas de coleta e afastamento de esgoto sanitário. Como fatores fundamentais na diminuição da vazão de infiltração pode-se destacar a melhoria na qualidade dos materiais e das juntas e os controles mais eficientes de execução de obras. A norma NBR 9649 da ABNT, no que se refere ao coeficiente de infiltração, diz o seguinte: "TI, Taxa de contribuição de infiltração, depende de condições locais tais como: NA do lençol freático, natureza do subsolo, qualidade da execução da rede, material da tubulação e tipo de junta utilizado. O valor entre 0,05 a 1,0 Rls.km adotado deve ser justificado". 3.4.

DESPEJOS

INDUSTRIAIS

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Ao se projetar um sistema de esgoto sanitário, é necessário o prévio conhecimento das indústrias contribuintes, o número de indústrias, seu porte e suas características. De modo geral, o esgotamento dos etluentes industriais deve ser feito, sempre que possível, pela rede pública. O recebimento dos despejos industriais na rede coletora deve ser precedido de certos cuidados, principalmente, no que se refere à qualidade e quantidade dos efluentes. Em cada caso deverá ser estudada a natureza dos efluentes industriais para verificar se esses resíduos podem ser lançados in natura na rede de esgotos, ou se haverá necessidade de um pré-tratamento, Não se deve permitir o lançamento in natura no coletor público, de despejos industriais:

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• extensão das ligações prediais geralmente maior do que a extensão total da rede coletora; • na maioria da vezes, execução dos coletores prediais não tão cuidadosa como a da rede coletora.

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DE ESGOTOS

59

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COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

VAZÕES

• • • •

que sejam nocivos à saúde ou prejudiciais à segurança dos trabalhos da rede; que interfiram em qualquer sistema de tratamento; que obstruam tubulações e equipamentos; que ataquem as tubulações, afetando a resistência ou durabilidade de suas estruturas; • com temperaturas elevadas, acima de 45°C.

No que se refere à quantidade de despejos, podem se considerados dois tipos de indústrias: • as que lançam na rede pública quantidade pequena de resíduos e que, sob o ponto de vista de contribuição à rede, não constituem caso especial; • as que lançam na rede pública quantidade considerável de despejo, merecendo por parte dos órgãos públicos um estudo especial. Para as indústrias, normalmente os órgãos públicos limitam o valor da vazão máxima de lançamento do efluente na rede coletora. Pela legislação em vigor, a vazão máxima não deverá ser superior a 1,5 vezes a vazão média diária. Para atender a essa exigência, às vezes, é necessário que a indústria construa um tanque de regularização de vazão. Quando a indústria já se encontra instalada, a estimativa de vazão de despejo industrial deve ser realizada através de uma pesquisa junto ao estabelecimento, inclusive com previsão de vazões futuras. Entretanto, nos casos em que há necessidade de estimar vazões de áreas destinadas às indústrias futuras, na falta de dados, pode-se admitir valores compreendidos entre 1,15 €Is.ha a 2,30 R/s.ha, quando a perspectiva é de implantação de indústrias que utilizam água em seus processos produtivos. Para áreas industriais, onde serão instaladas indústrias que não utilizam quantidades significativas de água em seus processos produtivos, pode-se estimar a contribuição de esgotos em 0,35 Rls.ha. 3.5

VAZÃO DE ESGOTO SANITÁRIO A vazão de esgoto sanitário é composta pelas seguintes parcelas: (3.20) onde: Q = vazão Qd = vazão Qinr= vazão Qc = vazão

de esgoto sanitário, eis; doméstica, Ris; de infiltração, Ris; concentrada ou singular, eis.

DE ESGOTOS

61

) )

o esgoto sanitário

que aflui à rede de esgotos é composto de esgoto doméstico, águas de infiltração e de resíduos líquidos industriais. Para a determinação da vazão de esgoto devem ser consideradas, conforme já visto anteriormente, a população da área de projeto, contribuição per capita ou por economia, coeficiente de retorno, coeficientes de variação de vazão, águas de infiltração e lançamento de esgotos industriais na rede coletora. . ~ vazão concentrada ou singular refere-se à contribuição de esgoto, bem supenor aquelas lançadas na rede coletora ao longo do seu caminhamento e devido ao seu valor altera sensivelmente a vazão do trecho de jusante na rede. Geralmente são consideradas contribuições concentradas aquelas provenientes de grandes escolas, hospitais, clubes, estações rodoviárias, shopping centers, grandes edificações residenciais e/ou comerciais. estabelecimentos industriais que utilizam água em seu processo de produção etc. As vazões a serem consideradas especificamente para o dimensionamento das redes coletoras, interceptores e estações elevatórias de esgotos, serão detalhadas nos seus capítulos correspondentes.

)

) ) ) )

) ) ) )

)

) )

REFERÊNCIAS

)

BIBLIOGRÁFICAS

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) ) )

) ~

.,.., ) )

) CAPÍTULO

)

4

)

)

) PROJETO DE REDES COLETORAS DE ESGOTO SANITÁRIO

) ) ) )

4.1.

)

A partir de 1986 com a divulgação da norma NBR 9649 da ABNT, o Brasil passou a ter os mais avançados critérios hidráulicos de dimensionarnento de redes coletoras de esgoto, utilizando-se os conceitos de tensão trativa e de velocidade crítica. Também, novos órgãos acessórios foram propostos em substituição aos Poço de Visita. Com a utilização dessas inovações tecnológicas e evitando-se a construção de redes profundas para esgotar soleiras baixas, o custo da rede coletora de esgoto foi reduzido em cerca de 40'Yo. Essas inovações surgiram de vários trabalhos desenvolvidos na área de esgotamento sanitário, sendo os principais, comentados a seguir. Em 1980 a SABESP realizou um amplo levantamento de custos de construção de redes de esgoto na Região Metropolitana de São Paulo, cujos resultados são apresentados na tabela 4.1, de onde se conclui que, pela ordem, os fatores de maior peso no custo total da obra são os seguintes:

)

I)

) ) ) ) ) )

)

INTRODUÇÃO

• • • • •

) ) )

escoramento de valas; poços de visita; escavaçãode valas; reaterro de valas; reposição de pavimentos (aIfalto).

I

)

/ ) ) ) )

,

) )

i

O escoramento, escavação e reaterro das valas estão relacionados com a profundidade da rede. Nos 3Q7 km de rede em que foram realizados as pesquisas, a política de esgotamento da época previa o atendimento de todos os lotes, em decorrência, 20% da extensão total da rede estava a mais de 3 m de profundidade, chegando em alguns casos até 6 m. O custo unitário médio desses 20% resultou 50% maior do que o custo unitário médio dos 80% restantes. Foram levantados os valores de profundidade das soleiras dos ramais prediais, no ponto de cruzamento com as testadas dos lotes, de cerca de 45 000 ligações

68

PROJETO DE REDES COLETOR/\S DE ESGOTO S/\NITARIO

COLET/\ E TR/\NSPORTE DE ESGOTO S/\NITARIO

A vazão média inicial de esgoto doméstico (Qd;)pode ser calculada pela expressão (4.3) ou (4.4).

Vazão final: Qf

=

Qfma, +

zo.,

69

(4.8)

onde: Qimax;Qfmax = vazão máxima do hidrograma inicial e final, composto com ordenadas proporcionais às do hidrograrna medido. (4.3)

)

A parcela de vazão inicial (QimaJde uma bacia é calculada por:

) (4.4)

) ) )

Qima,= Qdi (esgoto doméstico) + Qinfi(vazão de infiltração) A vazão média final de esgoto doméstico (eLr) pode ser calculada pela expressão (4.5) ou (4.6).

Q i max

_ -

(4.9)

te qmax·-

tm

(4.10)

) )

Qd.r

=

CPrqr 86400

(4,5)

Cardrqf 86400

(4.6)

) )

Qdf =

) ) )

) ) ) )

) ) ) ) ) )

) )

onde: C = coeficiente de retomo; P, ; Pf= população inicial e final, hab; ai ; ar = área esgotada inicial e final, ha: di ; d. = densidade populacional inicial e final, hab/ha; qi ; q, = consumo de água efetivo per capita inicial e final, flhab.dia. A contribuição singular ou vazão (descarga) concentrada geralmente provém de indústrias, hospitais, escolas, quartéis etc., e também de áreas de expansão previstas no projeto. Esse método tradicional vem sendo adotado para determinar vazões, na grande maioria dos projetos, pela sua simplicidade e, principalmente, pela deficiência de dados que permitam a determinação por outros processos. A experiência tem mostrado que esse método tem funcionado adequadamente para a determinação de vazões pequenas até as grandes vazões, utilizadas no dimensionamento dos sistemas de esgoto sanitário. 4.2.1.2.

Procedimento quando existirem hidrogramas utilizáveis no projeto

Por esse processo as vazões podem ser calculadas através das seguintes equações: Vazão inicial: Qi = Qimax + IQci

): )

De modo análogo, deve ser feita a determinação da parcela de vazão final QrmiJx-

)

~.

onde: qn"" = vazão máxima do hidrograma medido; te = valor do parâmetro adotado na bacia para a qual se avalia a vazão; t, = valor do parâmetro adotado na bacia cujo hidrograma foi medido,

(4.7)

O hidrograma medido deve ter sua vazão máxima correlacionada parâmetro a ser adotado para as avaliações de vazão de projeto. Admite-se, apenas, o uso de dois parârnetros para essas avaliações:

com o

• população presente, verificada por censo, na bacia cujo hidrograrna foi medido; • área total edificada, avaliada com auxílio de planta aerofotogramétrica cadastral ou como descrito no Anexo 3 da PNB-567/1977 da ABNT. Exercício 4.1 Calcular as vazões máxima e mínima para a cidade B, com população de 20 000 habitantes. conhecendo-se o hidrograma medido da cidade A (figura 4.1) que tem 5 000 habitantes e admitindo-se que as duas cidades têm características semelhantes. Solução. Através do hidrograma medido na cidade A tem-se: • vazão máxima: 10 eis • vazão mínima: I eis

.......,) ) )

72

COLETA

E TRANSPORTE

PROJETO DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO SANITÁRIO

DE ESGOTO SANITÁRIO

73

) • taxa de contribuição linear para o início do plano - Txu; (C/s.m ou C/s.km)

)

4.2.2.1.

)

Para os casos em que há somente uma rede coletora de esgotos na via pública, a taxa de contribuição linear pode ser calculada segundo a metodologia apresentada a seguir. Quando referido à unidade de comprimento é calculado pelas expressões:

)

)

e

)

Cálculo das taxas de contribuição para redes simples

Txdi

=

K2Qd.i

+

Ldi

.

T

inf

(4.17)

• taxa de contribuição linear para o final do plano - T xdf (C/s.m ouC/s.km)

taxa de contribuição linear para o início do plano - Tx; (C/s.m ou C/s.km)

(4.18)

) (4.13)

)

onde: Ld;, Ldr= comprimento da rede dupla inicial ou final, m ou km.

) • taxa de contribuição linear para o final do plano - Txf (e/s.m ou C/s.km)

) )

(4)4)

) ) )

onde: L;, LI' = comprimento da rede de esgotos inicial e final, m ou km; T;nr = taxa de contribuição de infiltração, êls.m ou els.km.

)

A taxa de contribuição por unidade de área pode ser obtido pelas expressões:

)

4.2.2.3.

Cálculo das taxas de contribuição para redes simples e dupla

Para os casos em que há redes simples e redes duplas em uma mesma área de ocupação homogênea, os coeficientes de contribuição linear podem ser calculados da seguinte forma: • Cálculo do comprimento virtual da rede para a área de ocupação homogênea

Lvi f

.

•. taxa de contribuição inicial- T,,; (é/s.ha)

)

)

Tai

)

)

K2Qdi

= ---

+ Tin!".a

ai

(4.15)

• taxa de contribuição final - T"r (e1s.ha)

Ldi,f

, + -- 2

Lsi f

Lv;. f Lsi.

r

Lu;.

f

(4.19)

= comprimento virtual da rede inicial ou final, m ou km; = comprimento da rede simples inicial ou final, m ou km; = comprimento da rede dupla inicial ou final, m ou km.

• taxa de contribuição linear para rede simples

) (4.16)

)

onde:

=

- início do plano - Tx;s (eJs.m ou C/s.km)

) onde: a., ar = área abrangida pelo projeto. ha; T inf.u = taxa de contribuição de infi Itração por unidade de área, C/s.ha.

) ) )

. 4.2.2.2.

)1 )i, I

Cálculo das taxas de contribuição para redes dupla

. ' Para os casos em que há sempre duas redes na via pública (rede dupla), a taxa de contribuiçãoécalculada de modo análogo ao da rede simples. A sua determinação poder ser efetuado através das equações (4.17) e (4.18).

Txis :=

K2 Qd.i

+ Tinf

(4.20)

LVi

- final do plano - Txdf (e/s.m ou €Is.km) (4.21)

)

76

PROJETO COLETA

E TRi\NSPORTE

DE ESGOTO

DE REDES COLETORAS

) )

°

_comprimento virtual da rede inicial

)

Inicial

_taxa de contribuição linear inicial

)

)

Simples Dupla

. K2Q,!i T rede simples: Txi, = -L-. - + inf

)

= 1,5 x 6,30 + 0,1 = 8,41 P./s.km = 0,00841 e/s.m 1,137

T. XIS

)

rede dupla: Txid

K2Q,I.i

=~

+

4.2.3.

T.

)

inf

= 1,5 x 6,30 + 0,1 = 4,26 eJs.km = 0,00426 els.m 2 x 1,137

xid

) • Determinação da taxa de contribuição linear final

)

- vazão média final

)

-

=

Q d.f

CPrqr 86.400

=

0,8 x 13 000 x 200 86400

=

) ) )

8,41 4,26

=L

vf

sf

das vazões de dimensionamento

de cada trecho

4.3.

HIDRÁULICA

4.3.1.

Equações gerais

DOS COLETORES

DE ESGOTO

O escoamento do esgoto em um conduto é admitido, para efeito de cálculo, em regime permanente e uniforme. Não são consideradas, portanto, em cada trecho do conduto, as variações de vazão devido à contribuição do líquido recebida ao longo dele. O escoamento permanente uniforme deve satisfazer a duas equações gerais:

_comprimento virtual da rede final L

Determinação

24,07 eis

)

)

Final 38,21 19,15

As vazões utilizadas para dirnensionamento são: a vazão máxima de final de plano e a vazão de início de plano, de jusante, do trecho do coletor. Uma vez definidas as taxas de contribuição, para se calcular as vazões de dimensionamento de um determinado trecho da rede coletora, deve-se somar as contribuições que chegam a montante do trecho com a contribuição do trecho em questão. . A contribuição do trecho é calculada multiplicando-sea taxade.contribuição linear pelo comprimento do trecho.

T

VI

)

.

\'1

.J

)

77

Taxa de contribuição linear (eJs.km)

Tipo de rede

)

SANITÁRIO

1 D/ km Txfd = 1,2 x 1,5x 24,07 +0,1=1 9 ,5<: S. = ,01915f/s.m 2xl,137

L . 692 L .=L·+~=791+-=1137m=I,137km VI SI 2 2

)

DE ESGOTO

Si\NITÁRIO

L . 692 . + _,_11 = 791 + = 1 137m = 1,137 km 2 2

- taxa de contribuição linear final

)

• Equação de energia

)

Considerando duas seções transversais do escoamento, conforme figura 4,2, . pode-se escrever a seguinte equação:

) )

T

c XIS

= 1,2 x 1,5x 24,07 + 0,1 = 38,21 f/s.km = 0,03821 e/s.m 1,137

y2

) ZI+Y ) ) ) )

)

i

,II

+_1

2g

y2 =Z2+Y2+_2

2g

+hf

(4.24)

j )

)

80

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

81

) )

onde n é o coeficiente de rugosidade de Manning. Substituindo a equação (4.27) na equação (4.26) resulta:

) )

) ) ) )

V:::: ~ RH 2/3rl/2 n

ou

nQ 2/3 Ji ::::A.RH

. ou

~-~ Ji-n'

R

2/3

H

~::::~ AR 2/3 Ji n . H

(4.28)

(4.29) pi

) )

Tabela 4.2 - Valores do coeficiente n de Manning.

) ).

) ) ) ) )

Material dos condutos Cerâmico Concreto PVC Ferro fundido com revestimento Ferro fundido sem revestimento Cimento amianto Aço soldado Poliéster, polietileno

10 1.0

) ) ) )

) ) ) ) )

) ) )

12

0,013 0,013 0,010 0,012 0,013 0,011 0,011 0,011

~

A tabela 4.3, tendo por base as equações 4.28 e 4.29 é utilizada para dimensionamento e verificação de tubulações de esgoto, com n=0,013. O coeficiente de rugosidade n de Manning depende do diâmetro, da forma e do material da tubulação, da relação Y/D (figura 4.3) e das características do esgoto. Embora o coeficiente n seja função dos fatores relacionados, tem sido normalmente utilizado em escoamento de esgoto o valor de 0;013. Para Metcalf & Eddy (1981) esse valor deve ser mantido, mesmo quando se utilizam materiais inicialmente menos rugosos e com comprimentos maiores do que as tubulações tradicionais; devido ao fato de que, em sistema de esgoto, o número de ligações, de poços de visita (PV), de tubos de inspeção (TIL e TL) e demais singularidades permanece o mesmo, independentemente do tipo de material da tubulação utilizada. Além disso, segundo WPCF (1970), havendo formação da película de limo, as paredes da tubulação tornam-se uma superficie uniforme e permanecem constantes ao longo do tempo, portanto, a rugosidade em tubulações de esgoto é a mesma e independe do material da tubulação.

22

24

I

I

I

I

Coefi ciente de atrito. f "/

I

0.4

./

1\,/

\

V

\ n Manning / ./

a:

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0.2

/

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Área A

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0.3

0.4

0.5

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1\ I1

I/:,/

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"YRaio hidráulico. RH

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V, pl

0.7 Q

-Q

pl

x ---~ 0.8

A

'Apl

-x0.9

_2<_-< 1.0

I.l

X

1.2

1.3

~ e RHpl

para coletores circulares de esgoto. Fonte: WPCF (1970).

]1/2

f:1

35

/; "

0.6

V

hidráulicos

34

1-- •••.• ,

Relações

4.3 - Elementos

32

~/

"

0.2

30

/ ~ I , ~~, .

/

~

.

Figura

28

l/ ~y V /1 fi ".

,,'"

~ '" "

~::/

/. 0.3

pf

25

n, variável com a profundidade n constante independente de n

\ ~

0.5

20

'"

0.6

o

.'"-ijjo-

18

I

\

0.7

16

.-. ------

\\ \--

0.8

ndeManning

14

\

0.9

)

)

f e f

n

Valores de ;-

Embora a fórmula de Manning tenha sido estabelecida para os condutos livres, também se aplica ao cálculo de condutos forçados. Na tabela 4.2 são apresentados os valores de n para vários tipos de tubos.

)

A figura 4.3 mostra os elementos hidráulicos dos condutos circulares à seção plena (índice pé') e parcialmente cheia, que são: raio hidráulico (RH), área (A), velocidade média (V), vazão (Q), lâmina de água (Y) e diâmetro (D). Conforme se observa nessa figura, o valor de n de Manning para um conduto funcionando com capacidade parcial é maior do que a plena capacidade. Uma curva similar para o coeficiente de atrito f da fórmula Universal é também apresentada. A relação entre esses dois coeficientes de atrito pode ser determinada pela equação (4.30).

(4.30)

\.....

\.....

'--

~~\.....\.....~\.....~~~~\.....\.....\.....~\.....~\.....\.....\.....~~\.....\.....\.....\.....L\.....\.....\.....\.....J

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I

50 70 100

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I

região de transição

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I

crítica

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0.2 0.3 0,50.7 1

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Número de Heynolds

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86

)

COLETA

E TRANSPORTE

PROJETO

DE ESGCiTO SANITÁRIO

• Nas passagens retas: 0,03 m; • Nas curvas:

)

)

y2 - Se Rc <2D--7he

)

=-

(4.37)

40

)

y2 - Se 2D < R, < 8D--7ht

)

=80

(4.38)

onde: D = R, = y = h, =

) )

)

diâmetro do conduto, m; raio da curva, m; velocidade a montante, m/s; perda de carga localizada, m.

) )

) )

) ) ) )

4.4.

CONSIDERAÇÕES SOBRE O CRITÉRIO DA TENSÃO TRATIYA E AUTOL~PEZADOSCOLETORES

o projeto hidráulico-sanitário sobre três aspectos principais:

das tubulações de esgoto envolve considerações

• hidráulicos: as tubulações funcionando como condutos livres deverão transportar as vazões máximas e mínimas previstas no projeto; • reações bioquímicas: controle de sul feto de hidrogênio; • deposição de materiais sólidos encontrados no esgoto - ação de autolimpeza.

DE ESGOTO

SANITÁRIO

O conceito

A tensão trativa, ou tensão de arraste teve sua origem nos estudos hidráulicos dos canais. Segundo a literatura, o conceito da tensão trativa for introduzido originalmente por Du Boys, em 1879. Entretanto, os seus princípios básicos foram desenvolvidos por Brahms, por volta de 1754 (Chow, 1981). Desde essa época, tem sido utilizado o conceito da. tensão trativa para a solução de problemas de hidráulica fluvial e de canais sem revestimento. A tensão trativa é definida como uma tensão tangencial exercida sobre a parede do conduto pelo líquido em escoamento, ou seja, é a componente tangencial do peso do líquido sobre a unidade de área da parede do coletor e que atua sobre o material sedimentado, promovendo seu arraste. . Considerando o escoamento do líquido em uma tubulação circular, conforme apresentado na figura 4.5, obtém-se a tensão trativa média (o) para escoamento uniforme.

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1 !

) )

Tradicionalmente admite-se que a ação de autolimpeza em coletores de esgoto sanitário, para enfrentar o aspecto de deposição de materiais sólidos, é obtida pela manutenção de uma velocidade mínima independentemente do diâmetro da tubulação. Devido ao fato de que o mecanismo básico da ação de auto limpeza é uma força hidrodinârnica exercida sobre as paredes do conduto pelo escoamento do esgoto, tem sido utilizado a tensão trativa ou tensão de arraste para o dimensionamento das tubulações, em substituição ao critério da velocidade de autolimpeza. Ambos os conceitos, da tensão trativa e da velocidade de autolimpeza, encontram-se bem estabelecidos no campo de transporte de sedimentos, pois os coletores de esgoto são transportadores de sedimentos inorgânicos e orgânicos, pois o esgoto sanitário é composto por 99,9% de água e 0,1 % de sólidos, sendo que do total de sólidos, 70% é composto de matéria orgânica e 30% de matéria inorgânica, que em parte é areia. Segundo dados bibliográficos, a quantidade de areia nos sistemas de esgotos é da ordem de 0,03 g/R.. .

87

O critério da velocidade de autolimpeza foi utilizado no Brasil até 1986, e a partir desse ano com a promulgação da Norma NBR 9649 da ABNT, passou-se a utilizar o critério da tensão trativa. A utilização deste critério para dimensionamento de redes de esgoto contou com o pioneirismo dos engenheiros Amarílio Pereira de Souza e Miguel Zwi. Todavia, em praticamente todos os outros países se utiliza o critério da velocidade de autolimpeza, que é apresentado no Anexo I em detalhes e a sua comparação com o critério da tensão trativa é apresentado no Anexo 11. •

)

DE REDES COLETORAS

Figura 4.5 - Esquema para o desenvolvimento

do conceito de tensão trativa.

O peso do líquido (F) contido no trecho de comprimento L é dado por: F=yAL

(4.39)

J(J )

88

COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO Si\NITÁRIO

PROJETO DE REDES COLETORAS DE ESGOTO SANITÁRIO

89

1

)

1

)

)

A componente tangencial do peso do líquido (T) é dado por:

)

T = F sen a

(4.40)

) )

Substituindo a equação (4.39) em( 4.40), tem-se:

()

T=y A Lsen a

(4.41) )

Como a tensão é uma relação de força/área, a tensão trativa (c) em um trecho de comprimento L e perímetro molhado (P) é definida por:

cr=-

T (4.42)

PL

Substituindo a equação (4.41) em (4.42) tem-se:

cr=

yALsena PL

=yRHsena .

(4.43)

Para a pequeno, sen a ~ tg a e tg a = I (declividade) Portanto, a equação da tensão trativa é a seguinte:

1

cr=YRHI

(4.44)

onde: c = tensão trativa média, Pa; F = peso do líquido de um trecho L, N; T = componente tangencial de F, N; a = ângulo de inclinação da tubulação, grau; y = peso específico do líquido, 104 N/m3 para o esgoto; RH= raio hidráulico, m; I = declividade da tubulação, mim. A tensão trativa calculada pela equação (4.44) representa um valor médio da tensão ao longo do perímetro molhado da seção transversal considerada. Replogle e Chow (1969) mediram experimentalmente a distribuição da tensão trativa em condutos circulares nas condições de Y/O = 1/3, Y/O = 1/2 e Y/D = 2/3, sendo Y a altura da lâmina e D o diâmetro da tubulação. Na figura 4.6 são apresentadas os resultados obtidas nessas pesquisas, com pequenas adaptações.

I) ) Figura 4.6 - Distribuição experimental da tensão trativa em conduto circular. Fonte: Adaptado Replogle e Chow (/969).

de

I) )

A figura 4.6 indica que a máxima tensão trativa ocorre próximo à geratriz inferior da tubulação, enquanto a mínima ocorre próximo à superficie da água. Essa variação tende a ser menos pronunciada quanto maior for a relação Y/O. Portanto, para lâminas maiores que 50% do diâmetro da tubulação a tensão trativa tende a ser uniforme ao longo do perímetro molhado e seu valor é praticamente igual a tensão trativa média calculada pela equação (4.44). Para lâminas menores, a tensão trativa máxima medida é maior que a tensão trativa média, superando em cerca de 20% o valor da tensão média, calculada pela equação (4.44), considerando Y10 :Ç 1/3. •

Tensão trativa e o arraste de materiais sólidos

I)

) )

) ) I)

) )

Os materiais sólidos encontrados em esgoto consistem de partículas orgânicas e inorgânicas. Devido ao efeito da gravidade, qualquer dessas partículas com densidade maior que a da água tenderá a depositar-se nas tubulações de esgoto. O estudo da deposição dessas partículas é bastante complexo, uma vez que a vazão de esgoto varia ao longo do tempo. Nessas condições, o movimento do líquido é na realidade variado, embora se admita para o dimensionamento das tubulações de esgoto, o movimento permanente e uniforme. As partículas sólidas são normalmente depositadas nas tubulações de esgoto nas horas de menor contribuição. A tensão trativa crítica é definida como uma tensão mínima necessária para o início do movimento das partículas depositadas nas tubulações de esgoto. Seu valor é normalmente determinado através de pesquisas em campo, ou em laboratório, pois depende de vários fatores, tais como: • peso específico da partícula e do líquido; • dimensões da partícula; • viscosidade do líquido.

) ) )

) I) )

) )

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I)

I

I

""/"j ) ) )

90

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

91

)

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•

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)1 i I

)1

)

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J ) )

Machado Neto e Tsutiya (1985) apresentam uma análise detalhada sobre o valor da tensão trativa crítica para a movimentação de partículas inorgânicas (areia, argila e silte) e partículas orgânicas transportadas pelas tubulações de esgoto. Também apresentam, as recomendações de diversos pesquisadores referentes à tensão trativa crítica para o dimensionamento das tubulações de esgoto. Muitos pesquisadores se aprofundaram na quantificação de valores, levando-se em conta as variáveis envolvidas, apoiando-se em numerosos resultados experimentais, buscando definir fronteiras entre as regiões de repouso e de movimento das partículas. A maioria das pesquisas realizadas, a respeito da tensão trativa crítica para promover a auto limpeza em coletores de esgoto, chegaram a valores entre 1,0 e 2,0 Pa. Em 1983, a SABESP em São Paulo através de norma interna, passou a recomendar para o dimensionamento hidráulico dos coletores de esgoto, o conceito de tensão trativa em substituição à velocidade de auto limpeza preconizada pela PNB567/1975 da ABNT, em vigor àquela época. Por essa norma da SABESP, a tensão trativa mínima para auto limpeza dos coletores de esgoto foi de 1,0 Pa. Posterior: mente a norma brasileira NBR 9649 de 1986 adotou esse mesmo procedimento para o dimensionamento de redes coletoras de esgoto sanitário. Portanto, o critério da tensão trativa já está sendo aplicado em sistemas operados pela SABESP, na . Região Metropolitana de São Paulo, Litoral e Interior do Estado de São Paulo, em redes com características bastante distintas, a mais de 15 anos, com resultados operacionais satisfatórios. Tensão trativa e o controle de sulfetos

Devido ao fato de que o esgoto fresco tem quantidade apreciável de oxigênio dissolvido, normalmente as redes coletoras de esgoto não apresentam problemas relativos a sul fetos de hidrogênio (H2S). Entretanto, à medida que o esgoto escoa pela rede através de grandes extensões, por vezes com velocidade baixa, a concentração de oxigênio diminui gradualmente, prevalecendo as condições anaeróbias no esgoto e propiciando o aparecimento de sulfetos, cujos efeitos são notados principalmente nos coletores-tronco, interceptores e emissários e são discutidos no capítul07. A película de limo formada nas partes submersas da parede da tubulação é a principal fonte de geração de sulfeto em tubulações de esgoto, pois é nessa película que ocorrem as condições estritamente anaeróbias favoráveis ao desenvolvimento do processo. Essa película que possui muitos microrganismos tem espessura de Imm, mas se a velocidade for alta, ela pode ter menos de 0,25 mm de espessura. Quando a velocidade é extremamente baixa, a película pode atingir até 3 mm ou mais, no entanto, se o esgoto transportar material abrasivo, essa película pode não se desenvolver nas paredes das tubulações. Reid e Yang observaram que o desenvolvimento da película de limo estava

relacionado com a tensão trativa e que há um limite crítico a partir do qual não se formaria a película de limo produtora de sulfetos (Paintal, 1977). O controle dessa película é de fundamental importância para a geração de sulfetos, pois a ausência da película implica ausência ou pequena geração de sulfetos. Estudos realizado por Machado Neto e Tsutiya (1985), utilizando-se da fórmula Z de Pomeroy-Davy (ver capítulo 7) associada com a equação de Manning e equação da continuidade, para o esgoto de São Paulo com Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) variando de 250 a 300 mg/r e temperatura de 25° C, concluiu que a tensão trativa de 1,0 Pa não previne quanto à geração de sul fetos, principalmente 7 para diâmetr~ferio§ 500 mm, ou seja, diâmetros utilizados em redes coletoras de esgotos. Entretanto, segundo os autores, normalmente nas redes coletoras não há geração de sulfetos, pois o esgoto contém uma quantidade apreciável de oxigênio que inibe a sua saída para a atmosfera, e além disso, as redes geralmente são executadas com materiais que não são atacados pelo ácido sulfúrico, como a [manilha cerâmica e o pVc. ~ A tensão de 1,5 Pa praticamente inibe a formação de sulfetos em coletores acima de 500 mm, segundo estudo realizado por Machado Neto e Tsutiya (1985). Para o dimensionarnento dos interceptores, a norma brasileiraNB 568 de 1989 recomenda a tensão de 1,5 Pa, pois para esses condutos, geralmente são utilizadas tubulações de concreto que são atacados pelo ácido sulfúrico. Foi observado que a tensão trativa de 1,0 Pa atende as condições auto limpeza, tanto para redes como para os interceptores. Maiores detalhes sobre os sulfetos em sistemas de coleta e transporte de esgoto sanitário são apresentados no capítulo 7.

•

Determinação das declividade mínimas dos coletores de esgoto, para vários n de Manning, considerando a tensão trativa média de 1,0 Pa. Eng. Francisco Martins Fadiga Jr. (MSc)*

Para determinar as decIividades mínimas, para tensão trativa de 1,0 Pa, para vários n de Manning, foram utilizadas as seguintes equações: • Tensão trativa: o

= y RHI

(4.44)

= CAJRH1

(4.45)

. I 1/6 • Manmng: C = - RH

(4.27)

• Chézy: Q

n

(*) Engenheiro da Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica - FCTH.

n )

)

92

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO PROJETO

onde: a = y = RH = 1 = Q = C = A = n =

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

SANIT ÁRIO

93

) )

tensão trativa, Pa; peso específico do líquido, N/m3; raio hidráulico, m; declividade da tubulação, m/m; 3 vazão; m /s; coeficiente de Chézy; área de escoamento na seção transversal, m'; coeficiente de Manning.

)

) ) ) j )

Substituindo a equação (4.27) na equação (4.45) e reagrupando a equação resultante com a equação (4.44) obtém-se:

) )

) (4.46)

) 0,0001

A partir da equação 4.46, pode-se escrever iem função da vazão, do diâmetro, da tensão de arraste e do coeficiente de Manning e obtém-se:

(4.47)

Com a equação 4.47 é possível calcular a declividade com base nas características do escoamento. Como no entanto não se conhece o comportamento da vazão e do raio hidráulico, que são dependentes dos outros parâmetros existentes na equação, além da forma (que no caso é circular) e das dimensões da seção transversal, é necessário fixar um valor para o coeficiente de Manning e para a tensão de arraste mínima de modo a diminuiro número de variáveis e para poder-se calcular o valor de i tal que a;::amin• No presente caso foi utilizado o algoritmo de Newton-Raphson para a resolução da equação (4.47). No caso de redes de esgoto, é usual adotar-se o valor para o coeficiente de Manning n=0,013. No entanto, com a maior utilização de novos materiais nas obras de saneamento básico, vê-se o engenheiro projetista diante de novas possibilidades de valores de n, que serão cobertas no presente texto. Como as redes coletoras de esgotos prediais possuem dimensões reduzidas, serão utilizados nos cálculos diâmetros variando de 100 mm a 400 mm. A figura 4.7 apresenta o ajuste obtido de uma reta considerando-se a = 1 Pa e n = 0,013, para diâmetros variando de 100 mma400mm e lâmina d'água limitada a 0,75 Y/D.

-j- __

)

---'__

L--L--L--L-L.Ll.-j-

__

---'L....._L--L--L--L-L..L.l--j

10

I

100

)

Vazão (115)

Figura 4.7 - Ajuste para c

=

I Pa c n

= 0,013, para a determinação

)

da equação I em função de Q.

) )

Variando-se o coeficiente de Manning, pode-se obter diferentes fórmulas para a tensão trativa mínima igual a 1 Pa, com a vazão sendo fomecida em eis. A tabela 4.6 apresenta as equações de declividade mínima obtida para n de Manning variando de 0,009 a 0,016.

) ) ) ) )

Tabela 4.6 - Equações obtidas para a dec1ividade mínima de modo agarantir

Coeficiente de Manning 0,009 0,010 0,011 0,012 0,013 0,014 0,015 0,016

I (*)

Q em

f./s

Dec1ividade mínima (mim) * 1=0,0065 Q.0,49 1=0,0061 Q.O.49 1=0,0058 Q,0,49 1=0,0056 Q,0,48 1=0,0055 Q'O.47 1=0,0051 Q'O,47 1=0,0049 Q,0.47 1=0,0048 Q'O.47

cr2:I,O Pa.

) )

) )

) ) ) )

) )

j ) ) )

94

)

4.5.

) )

) ) ) )

) ) ) )

) ) )

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTÓ

Considerações sobre a velocidade crítica e o arraste de ar para o líquido (*)

Dependendo da turbulência do escoamento poderá haver a entrada de bolhas de ar na superficie do líquido. A mistura água-ar ocasiona um aumento na altura da lâmina d'água, sendo importante verificar se a tubulação projetada ainda continua funcionando como conduto livre, pois caso contrário, a tubulação poderá ser destruída por pressões geradas pelas permutações aleatórias entre escoamento livre e forçado. No caso do escoamento de esgoto, o conhecimento da mistura água-ar é de grande importância, principalmente quando a tubulação é projetada com grande declividade, pois nessa condição, o grau de entrada de bolhas de ar no escoamento poderá ser bastante elevado. Devido a esse fato, a Norma NBR 9649 da ABNT "Projeto de redes coletoras de esgoto sanitário", publicado em novembro de 1986, inclui no item 5.1.5.1 a seguinte recomendação: "Quando a velocidade final Vf é superior a velocidade crítica Ve, a maior lâmina admissivel deve ser de 50% do diâmetro do coletor, assegurando-se a ventilação do trecho; a velocidade crítica é definida por Vc = 6 (g RH) v" onde g = aceleração da gravidade". •

PROJETO

SANITÁRIO

Mecanismo de entrada de ar

NUMERO

Ilf

fROUOE

DE REDES COLETÓRAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

95

<1

Q

Figura 4.8 - Seção longitudinal de uma tubulação com grande declividade.

) )

) )

) )

)

) ) )

)

)[

Entrada de ar no meio líquido Em canais abertos ou em tubulações parcialmente cheias, fortemente inclinados, transportando esgoto ou água limpa, ocorre uma mistura do líquido com as bolhas de ar. A figura 4.8 mostra esquematicamente o ínicio do processo. No ínicio do trecho de declividade acentuada, a água que ainda não contém bolhas de ar, acelera-se devido à gravidade e, com isso, há um aumento na velocidade do escoamento. A camada-limite, até então laminar começa a se instabilizar tomando-se turbulenta. O arraste de ar ocorre somente após o afloramento da camada-limite turbulenta, devido ao fato que, antes do seu afloramento o gradiente de velocidades é baixo e, consequentemente, também, o índice de turbulência .. A camada-limite turbulenta de espessura 8(x) se aproxima da superfície e aflora no pontci P A (figura 4.8) e com isso háum aumento no índice daturbulência gerando flutuações turbulentas capazes de vencer as forças de tensão superficial. A

turbulência é responsável pelo lançamento de gotas d'água e essas ao caírem de volta à superfície, arrastam as bolhas de ar para o meio líquido (figura 4.9), e, portanto, no ponto P, se inicia a ,entrada de ar no escoamento. Para se formar uma bolha de ar a partir de uma gota d' água podem ser distinguidas as seguintes fases: (a) a gota d'água esférica (na realidade é quase esférica) colide com a superficie d'água na direção aproximadamente perpendicular; (b) após a gota tocar a superficie, ela se toma parcialmente achatada e simultaneamente se cria uma abertura na superficie d'água; (c) nesta fase tem-se.a formação de um anel de água; (d) sob a influência da tensão superficial o anel começa a fechar; . (e) . quando esse anel é completamente fechado, a bolha de ar é formada. Uma vez que a bolha de ar é incorporada ao líquido, ela é arrastada pelo escoamento e fica sob a ação das seguintes forças principais:

Ji

)

) )1 I

)

(*) Adaptação do trabalho de Milton Tomoyuki Tsutiya e Winston Hisasi Kanashiro publicado na Revista

DAE, Volume 47, No 148, março de 1987 - "Arraste de ar em tubulações com grande dec1ividade: algumas considerações relacionadas ao dimensionamento dos coletores de esgoto".

- empuxo de Arquimedes; - tensões turbulentas; - forças devido à energia cinética residual.

()

)

;(

I, ) !

96

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

97

I' ) i

I' )

•J (c)

( b)

(a)

(d)

(e)

Figura 4.9 - Formação de uma bolha de ar pela queda de uma gota d'água.

das fotografias apresentadas por Volkart, observa-se que os diâmetros das gotas variam de 1,0 a 6,5 mm e as bolhas de ar apresentam diâmetros entre 1,0 e 10,0 mm. Observou-se, também, que normalmente o diâmetro das bolhas é sempre maior que o diâmetro das gotas geradoras. É importante ressaltar que há uma grande diferença entre o ar que é arrastado em forma de bolhas pelo escoamento e o ar que é dissolvido na água. O primeiro é um processo fisico de aprisionamento de bolhas de ar pela água através da tensão superficial, enquanto o outro é um fenômeno fisico-químico que é a adsorção de moléculas de ar pelas moléculas de água. Outro aspecto a se observar é a diferença que há entre condutos circulares parcialmente cheios e canais retangulares abertos, ambos transportando a mistura água-ar nas mesmas condições de alta velocidade, sendo que essa diferença se acentua quando o diâmetro do conduto é pequeno e a lâmina líquida é superior a meia seção. Pelas considerações já feitas anteriormente, o ar é arrastado pelo escoamento quando as gotas lançadas no ar retomam à superficie líquida. Ocorre, porém, que algumas gotas se chocam com a geratriz superior do tubo e estas ao retomarem ao escoamento não carreiam ar, podendo-se esperar que nas mesmas condições de escoamento, a concentração média de ar seja maior em canais abertos do que em condutos circulares parcialmente cheios.

p.

) ) )

:) )

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\) )

"

)

I) /

)

)

(

(

) )

A energia cinética remanescente da gota se encarrega de arrastar essa bolha para o interior da massa líquida até que atinja o equilíbrio devido ao empuxo de Arquimedes, responsável pelo movimento ascendente da bolha. O movimento caótico das bolhas no interior do escoamento é ocasionado pelas tensões turbulentas. Observe-se que a energia cinética mínima para a formação da bolha é a energia capaz de vencer a força devida à tensão superficial. Entre os pontos P, e PE (figura 4.8) há um aumento gradual de concentração de ar e também, em consequência, aumento na espessura da lâmina da mistura líquido-ar. Isto ocorre devido ao fato de à medida que se vai caminhando para jusante (de Pia P E) observa-se um aumento na velocidade do escoamento e no índice de turbulência da superficie. Quando o escoamento atinge o ponto P E há um equilíbrio dinâmico entre as forças atuantes (força gravitacional que tende a acelerar o escoamento) e as forças resistentes (atrito, perda por turbulência etc.) resultando em escoamento uniforme ( velocidade e hE constantes) e, portanto, nessas condições, o índice de turbulência se mantém constante. Consequentemente, há um equilíbrio dinâmico entre o ar incorporado e o ar que deixa o escoamento. O modelo descrito foi proposto por Viparelli (1953) e Volkart (1980) fez um estudo bem detalhado desse mecanismo. Ele observou o escoamento através de fotos obtidas com estroboscópio e partindo de considerações energéticas chegou a resultados teóricos bastante satisfatórios com os dados experimentais. Pela análise

•

Parâmetros

importantes

J

O processo de arraste de ar é basicamente umjogo de forças entre as tensões turbulentas na superficie e as forças de tensão superficial. Então, pode-se dizer que a concentração de ar (C) é uma função da viscosidade (v), da velocidade do escoamento (V), da altura da lâmina d'água (Y), da largura da superfície livre (B), da tensão superficial (a), do diâmetro do tubo (D), da rugosidade (K) e da inclinação do tubo (I). Volkart (1980) com base na Análise Dimensional concluiu que a concentração de ar (C) é função do número de Froude, do número de Boussinesq, do número de Reynolds e do número de Weber. O número de Reynolds (R = VD/v) é uma relação entre as forças de inércia e as forças viscosas e indica se o escoamento é laminar ou turbulento. No escoamento laminar prevalecem as forçasa viscosas, no entanto, se as forças de inércia forem maiores que as forças viscosas instabiliza-se a camada-limite laminar gerando a turbulência. O número de Froude (F = V/

..Ji,Y ) é uma

) /

) )

r)

) ) )

J , ) )

relação entre forças de inércia e

I )

forças gravitacionais. O número de Boussinesq (B = V/ JgRH ) é o número de

)

Froude mais detalhado, ou seja, mais completo, pois leva em conta a influência da

!)

( J

') ) )

) )

)

98

) ) )

) ) ) )

)

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

0.4

(J

..

'" 0.'

'"" ,Q :

0,2

I-

Z

Resultado

o

das pesquisas

u

0.1

Estudando vários condutos circulares parcialmente cheios no Laboratório de Zurique (ETH), na Suiça, com diâmetros de 110 mm e 240 mm e protótipos de até 900 mm, com inclinações máximas de 45°, Yolkart (1982) concluiu que a melhor relação funcional entre a concentração de ar (C) e os adimensionais (F, B, R, W) era entre (C) e (B). Esses resultados se encontram representados na figura 4.10 e apresentam a seguinte correlação utilizando um método estatístico:

.:', 05 NÚMERO

Figura 4.10 =Relação

C=I-

)

(

0,02 Bw -6,0)'

15;

B;::: 6,0 +1

(4.48)

sendo B; o número de Boussinesq para água pura.

)

)

•

Início do escoamento

Conforme já visto, o adimensional que melhor retrata o fenômeno da entrada de ar é o número de Boussinesq. Pelas pesquisas efetuadas, Yolkart concluiu que em tubulações parcialmente cheias, a mistura água-ar inicia quando o número de Boussinesq é igual a 6.0. Portanto:

eoussrsesc

I B .•• '

entre concentração

média de ar (C) e o número de Boussinesq

(BJ.

A equação (4.49) é válida para escoamento ajusante do ponto PE (figura 4.8) e, nessas condições, a entrada de ar se inicia quando a velocidade de escoamento é igual à velocidade crítica. •

aerado

DE

Escoamento

aerado

Pelas constatações experimentais de Yolkart, o escoamento aerado se processa quando B>6,0, ou seja, a velocidade de escoamento é maior que a velocidade crítica. Através de medições em locais situados a jusante do ponto PE, Yolkart encontrou as seguintes relações:

) • concentração média de ar:

j

(4.49)

) ) ) ),

)1

•• )

99

~ o

)

)

SANITÁRIO

L

as forças de tensão superficial. Observe-se que a Análise Dimensional fornece a relação entre uma determinada grandeza e grupos de adimensionais, mas ela não diz qual é o adimensional mais importante e nem qual é a forma da função. Ambos deverão ser determinados experimentalmente através de medições.

)

)

DE ESGOTO

= y2p - ) é uma relação entre as forças de inércia e

O número de Weber (W

)

)

DE REDES COLETORAS

~----------~-------------

superficie molhada do conduto, a área da seção transversal e a superficie livre. e não apenas a altura da lâmina líquida como é o caso do número de Froude.

) )

COLETA

C==londe: Yc = yelocidade crítica, mJs; g = aceleração da gravidade = 9,81 m/s"; RH = raio hidráulico, m.

1 O,02(B- 6,0 Y·5 + 1

(4.50)

• velocidade média da mistura: (4.51 )

(j

100

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

,

)

1

)

)

101

)

----+ ~II

• relação entre a seção molhada da mistura e da água pura:

A-A .(1) ~=T=Un l-C·

(4.52)

) ) ')

~~~~~~~==~~~~ 11

A equação (4.52) é válida para C<0,4 e foi obtida a partir de dados experimentais apresentados na figura e seu ajuste foi feito através de um método estatístico.

)

i

4.11

)

(

I)

..

)

o

C

I) 0,5

Figura

Sendo: AI

0.4-

...

0,3

• •

.: ••~.

.. '''.

. .::•..~..

0,2.-

1

(.,..-:-c)

~=2In

()

4.12 - Seção transversal de um conduto com mistura água-ar.

= área

A, =

limitada pela curva de concentração C = 1; área limitada pela curva de C = O;

f,.

,

''m =area

Q+Qa meêdiIa daa mi mistura =-y--

) I )

= vazão da água pura;

')

de ar; . y m = velocidade média da mistura.

0,1'

o

o;.

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

•

1,4

das tubulações

:) )

de esgoto

')

6. Figura 4.11 - Relação (I':.) em função da concentração

= vazão

Aplicações para o dimensionamento

I )

(Ao::; Am::;AI);

m

Q Q.

')

As principais conclusões decorrentes da aplicação da velocidade crítica no dimensionamento das tubulações de esgoto, são a seguir apresentadas:

média de ar (C).

Existindo a mistura água-ar, haverá um aumento na área da seção transversal do escoamento devido à superposição de dois fatores: -. pela diminuição da velocidade: Vm
au-

(4.53)

A figura 4.12 mostra uma seção típica do escoamento com mistura água-ar.

- para uma mesma relação Y/D, quanto maior o diâmetro, menor será a declividade para o início do arraste de ar e maior será a velocidade crítica; - para um mesmo diâmetro, quanto maior a relação Y/D, menor será a declividade para início do arraste de ar e maior será a velocidade crítica; - a simples adoção de Y = 0,5 D não garante o escoamento livre de modo absoluto; - o início de arraste de ar ocorre tanto para velocidades maiores como para velocidade menores (= 1,5 m/s). - ocorrendo a mistura água-ar, a capacidade de transporte da tubulação não sofre aumentos significativos com o aumento da declividade. - Deverá ser assegurada a ventilação do trecho aerado através de dutos de ventilação para evitar os transitórios hidráulicos.

(

)

,) (

)

') (

) ) )

,) ) ) )

Os detalhes a respeito deste item são apresentados no Anexo IIL

I) I

J

j ) )

) )

102 4.6.

COLETA E TRANSPORTE

CRITÉRIOS

DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO SANITÁRIO

103

4.6.4. Declividade mínima

DE DIMENSIONAMENTO

) )

4.6.1 Regime hidráulico

)

As redes coletoras são projetadas para funcionar como conduto livre em regime permanente e uniforme, de modo que a declividade da linha de energia equivale à declividade da tubulação e é igual à perda de carga unitária. Na realidade, o escoamento nas redes são extremamente variáveis devido às ligações prediais, principalmente nos trechos iniciais, pois a vazão de escoamento é função das descargas dos aparelhos sanitários conectados às ligações prediais. Essa influência irá diminuindo com o aumento das vazões nos coletores e mesmo nos trechos intermediários, haverá variação de intensidade ao longo do dia, conforme pode-se observar na figura 3.1. do capítulo 3. Para Femandes (1996) há uma série de fatores contrários ao dimensionamento da rede coletora em regime permanente e uniforme, tais como: aumento da vazão para jusante em virtude dos acréscimos oriundos das ligações prediais, variação de vazão ao longo do dia; presença variável de sólidos; mudança de greide ou de cotas no poço de visita de jusante etc. No Brasil, as redes têm sido projetadas com as simplificações que não ocorrem na prática e, apesar disso, a experiência tem mostrado que as redes, de um modo geral, tem funcionado adequadamente, tanto para pequenas vazões, quanto para as grandes vazões.

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de escoamento

Os coletores são projetados de modo a se ter a sua autolimpeza, desde o início do plano. Para a autolimpeza, deve-se garantir, pelo menos uma vez por dia, uma tensão trativa de 1,0 Pa (item 4.4). A declividade a ser adotada deverá proporcionar, para cada trecho da rede, uma tensão trativa média igualou superior a 1,0 Pa, calculada para vazão inicial. A declividade mínima que satisfaz essa condição pode ser determinada pela expressão aproximada, para coeficiente de Manning n = 0,013: Imin

= 0,0055

QiO.47

(4.54)

onde: Imin = declividadc mínima, mim; Qi = vazão de jusante do trecho no inicio do plano, Ris. Este critério foi discutido em detalhes no item 4.4. 4.6.5. Declividade máxima A máxima decIividade admissÍvel é a uela ara a tubulação igual a 5,0 mls, ara a vazão de fina lano e pode ser obtida pela expressão aproximada, para coeficiente de Manning n = 0,013:

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4.6.2 Vazão mínima considerada

para dimensionamento

hidráulico Imax

A norma NBR 9649 de 1986 da ABNT recomenda que, em qualquer trecho da rede coletora, o menor valor da vazão a ser utilizada nos cálculos é de 1,5 Ris, correspondente ao pico instantâneo de vazão decorrente da descarga de vaso sanitário. Sempre que a vazão da jusante do trecho for inferior a 1,5 Os, para cálculos hidráulicos deste trecho deve-se utilizar o valor 1,5 Ris. 4.6.3. Diâmetro mínimo

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A norma NBR 9649 de 1986 da ABNT, admite o diâmetro de 100 mm (DN 100) como mínimo a ser utilizado cm redes coletoras de esgoto sanitário. Entretanto, em São Paulo, o diâmetro mínimo adotado é de 150 mm (DN 150). Excepcionalmente, em casos especiais, tais como coletores auxiliares com vazões pequenas, pode ser utilizado o diâmetro de 100 mm (DN 100). Portanto, o diâmetro mínimo das redes coletoras deve ser estabelecido de acordo com as condições locais.

= 4,65

Q;:0.67

(4.55)

onde: 1m,. = declividade máxima, mim; Qf = vazão de jusante do trecho no final do plano, Ris. 4.6.6. Lâmina d'água máxima Nas redes coletoras as tubulações são projetadas para funcionar com lâmina igualou inferior a 75% do diâmetro da tubulação, destinando-se a parte superior da tubulação à ventilação do sistema e às imprevisões e flutuaçõesexcepcionais de nível dos esgotos. O diâmetro que atende à condição YID = 0,75, pode ser calculado pela equação (4.56). 0,375

D= ( .0,0463 ~

]

(4.56)

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104

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

PROJETO

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

I

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I

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105 )

onde: D = diâmetro, m; Qf = vazão final, m3/s; I = declividade, m/m.

remansos. Quando se tem' mais de um coletor afluente, o nível de água de jusante deverá coincidir com o nível de água mais baixo dentre aqueles de montante. 4.7.

A equação (4.56) foi obtida a partir da fórmula de Manning, considerando n = 0,013 e Y/D = 0,75. 4.6.7. Lâmina d'água mínima Pelo critério da tensão trativa haverá auto limpeza nas tubulações de esgoto, desde que pelo menos uma vez por dia atinja uma tensão trativa igualou superior a 1,0 Pa, qualquer que seja a altura da lâmina d'água. Portanto, não se limita a lâmina d' água mínima. 4.6.8. Velocidade crítica Quando a velocidade final (V f) é superior à velocidade crítica (Vc), a lâmina de água máxima deve ser reduzida para 50% do diâmetro dó coletar. Para o caso de se ter Y/D>0,5, geralmente o mais adequado é aumentar o diâmetro docoletor. A velocidade crítica é definida por: VC=6JgRH

(4.49)

onde: Vc = velocidade crítica, m/s; g = aceleração da gravidade, m/S2; RH= raio hidráulico para a vazão final, m.

.ÓRGÃOS ACESSÓRIOS

) )

4.7.1. Poços de Visita (PV) Trata-se de uma câmara que, através de abertura existente em sua parte superior, permite o acesso de pessoas e equipamentos para executar trabalhos de manutenção. Tradicionalmente, se utilizavam poços de visita (PV) em todos os pontos singulares de rede coletora, tais como, no início de coletores, nas mudanças de direção, de declividade, de diâmetro e de material, na reunião de coletores e onde há degraus e tubos de queda. A distância máxima entre PVs, era aquela que permitia o alcance dos instrumentos de limpeza, normalmente 100 m. Quando se dispõe de equipamentos adequados de limpeza das redes de esgoto, o poço de visita pode ser substituído por tubo de inspeção e limpeza (TIL), terminal de limpeza (TL) e caixas de passagem (CP). Os poços de visita são obrigatórios nos seguintes casos:

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na reunião de coletores com mais de três entradas; na reunião de coletores quando há necessidade de tubo de queda; nas extremidades de sifões invertidos e passagens forçadas; profundidades maiores que 3,0 m; diâmetro de tubos igualou superior a 400 mm.

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As figuras 4.13 e 4.14 apresentam o poço de visita em alvenaria e em aduelas de concreto armado pré-moldado.

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4.7.2 Tubo de Inspeção e Limpeza (TIL) ou Poço de Inspeção (PI)

Sempre que a cota do nível de água na saída de qualquer PV ou TIL ficar acima de qualquer das cotas dos níveis de água de entrada, deve ser verificada a influência do remanso no trecho de montante. Nos projetos de rede coletora de esgoto, onde há um aumento do diâmetro da tubulação, isto é, o diâmetro do coletor de jusante é maior que o de montante, na prática, para se evitar o remanso, pode-se fazer coincidir a geratriz superior dos tubos. Isso sempre ocorrerá quando se trabalha com profundidades mínimas. Para profundidades superiores à mínima, a coincidência dos níveis de água de montante e de jusante, em PV ali TIL é prática correta e comum para se evitar

) )

Este critério de dimensionamento já foi discutido em detalhes no item 4.5. 4.6.9. Condições de controle de remanso

)

(

DAS REDES COLETORAS

(

)

Dispositivo não visitável que permite inspeção visual e introdução de equipamentos de limpeza. Pode ser usado em substituição ao PV nos seguintes casos: • na reunião de coletores (até 3 entradas e uma saída); • nos pontos com degrau de altura inferior a 0,60m; • a jusante de ligações prediais cujas contribuições podem acarretar problemas de manutenção; • em profundidades até 3,0 m.

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106

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COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

107

SANITÁRIO

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NO FUNDO

4.13 - Poço de Visita em alvenaria, com tubo de queda.

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Na figura 4.15 são apresentados TIL em alvenaria e em aduelas pré-moldadas de concreto armado. O TIL em alvenaria é normalmente utilizado para profundidades até 1,80 m, devido a problemas construtivos e o TIL em aduelas de concreto até 3,0 m de profundidade. Nos TlLs que recebem trechos em contra-fluxo, deve ser previsto degrau de 10 crn, evitando-se colocação de novos TILs ou caixas de passagem. No início da rede, onde se prevê futuro prolongamento de rede, deve ser implantado o TIL ou PY.

ti-O

)

I

4.7.3 Terminal de Limpeza (TL) Dispositivo que permite introdução de equipamentos de limpeza, localizado na cabeceira do coletar. Pode ser usado em substituição ao PV no início dos coletores. A figura 4.16 apresenta um modelo do TL.

Figura

)

4.15 - Poço de Visita em aduelas de concreto armado pré-moldado.

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) ) PROJETO

108

COLETA

E TRANSPORTE

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

109

SANlT ÁRIO

DE ESGOTO SANITÁRIO

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!'OçO DE INSPEÇÃO E LINPEZA

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EM ALVENARIA

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4.17 - Terminal de Limpeza (TL).

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110

COLETA

4.7.4.

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

Câmara sem acesso, localizada em pontos singulares por necessidade construtiva e que permite a passagem de equipamento para limpeza do trecho ajusante. Pode ser utilizada em substituição ao PV nos casos em .que houver mudanças de: djre.cão, declividade, diâmetro e material. Para uma única caixa, o ângulo de mudança de direção deverá ser menor que 45". Para mais de duas caixas, a somatória dos ângulos das caixas de passagens em relação ao plano horizontal a partir do PV ou TIL não deve ser superior a 45°. A caixa só poderá ser executada quando a declividade de montante for maior ou igual a 0.007 mim para ~ ISO mm e 0,005 mim para 200 mm, com exceção dos pontos de cabeceira. As caixas de passagem (CP) podem ser substituídas por conexões nas mudanças de direção e declividade, quando as deflexões coincidem com as dessas peças. As conexões utilizadas devem ser ancoradas. É importante ressaltar que as posições das caixas de passagem (CP) e das conexões utilizadas têm de ser obrigatoriamente cadastradas. A figura 4.18 apresenta a caixa de passagem (CP). Observa-se, no entanto que, atualmente essas caixas não são mais utilizadas na SABESP, apesar de terem sido utilizadas por cerca de 10 anos. Asua utilização fora das especificações e dificuldades de localização, foram as principais causas de sua rejeição.

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DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

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Caixa de Passagem (CP)

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PROJETO

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150 200 250 300

0,45 0,60 0,75

0,23 0,30 0,38 0,45

0,53 0,60 0,68 0,75

0,18 0,24 0,30 0,36

0,90

REVESTOA

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0 (mm)

C

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PEDRA mirADA"'"

3 ou~

4.7.5. Quando o coletor chega ao PV com diferença de cota inferior a 0,60 m, executa-se o degrau, ou seja, o coletor afluente lança seus esgotos diretamente no PY. Para desníveis menores ou iguais a 0,20 m, pode ser eliminado o degrau, afundando-se o coletor.

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4.7.6.

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Tubo de Queda

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Dispositivo instalado no poço de visita (PV), conforme detalhes apresentados na figura 4.13, ligando um coletor afluente em cota mais alta ao fundo do poço. O tubo de queda deve ser colocado quando o coletor afluente apresentar degrau com altura maior ou igual a 0,60 m para evitar respingos que prejudiquem o trabalho no poço. Não se deve colocar tubos de queda em TIL.

4.7.7.

Distância entre singularidades

) ) )

O espaçamento entre PV, TIL e TL consecutivos d~ve ser-limitado pelo alcance dos equipamentos de desobstrução. Normalmente, adota-se a distância de 100 m entre singularidades com o acesso aos equipamentos de desobstrução.

PLACIl TA. Figura 4.18 - Caixa de Passagem (CP).

J!i )

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1

)

112

COLETA E TRANSPORTE

4.8.

DE ESGOTO SANITÁRIO

MATERIAIS DAS TUBULAÇÕES DE ESGOTO

Os materiais mais utilizados em sistemas de coleta e transporte de esgoto têm sido o tubo cerâmico, concreto, plástico, ferro fundido e o aço. Para linhas de recaI que, normalmente são utilizados os tubos de ferro fundido ou tubos de aço. As características dos esgotos, as condições locais e os métodos utilizados na construção, condicionam a escolha do material a ser empregado. De um modo geral, os seguintes fatores devem ser observados para a escolha criteriosa: • • • • • • •

resistência a cargas externas; resistência à abrasão e ao ataque químico; facilidade de transporte; disponibilidade de diâmetros necessários; custo do material; custo de transporte; custo de assentamento.

PROJETO

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

113

Para tubos cerâmicos existem disponíveis no mercado três tipos principais de juntas: )

• Junta de argamassa de cimento e areia. . A argamassa é preparada com cimento Portland e areia fina, no traço 1:3, em volume. É uma junta rígida, pouco utilizada devido aos inconvenientes, tais como os cuidados especiais para sua execução, passibilidade de agressão por esgotos e pode permitir a penetração de raízes nas canalizações.

)

) )

• Junta composta de betume )

Trata-se de junta semi-rígida. Para a sua execução, introduz-se o betume quente na junta após o estopeamento, ou seja, introdução de um cordão de estopa entre a bolsa e a ponta. Esse tipo de junta é ainda muito utilizada em tubo cerâmico.

)

• Junta elástica 4.8.1. Tubo cerâmico Os tubos cerâmicas (manilhas de barro) são bastante utilizados para as redes coletoras 'de esgoto. Os tubos são do tipo ponta e bolsa, sendo normalizados os diâmetros nominal (DN) 75, 100, 150,200,250,300,350,375,400,450,500 e 600 mm, e comprimento nominal de 600, 800, 1.000, 1.250,1 500 e 2 000 mm. Os tubos cerâmicos possuem alta resistência a meios ácidos e à corrosão, não sendo atacado pelo ácido sulfúrico, entretanto, é mais frágil com maior facilidade de quebra. A norma NBR 5645 de 1989 da ABNT fixa as condições exigíveis para aceitação e/ou recebimento de tubos cerâmicas de juntas não elásticas empregados na canalização de águas pluviais, de esgotos sanitários e de despejos industriais, que operam sob a ação da gravidade e, normalmente, sob pressão atmosférica. Quanto aos métodos de ensaio de tubos e conexões cerâmicas, as mesmas são fixadas pelas normas correspondentes. As juntas devem atender aos seguintes requisitos: • • • • •

impermeabilidade; facilidades de execução; resistência aos ataques de agentes químicos e bacterianos; disponibilidade; menor custo.

A junta elástica utiliza o anel de borracha toroidal, colocada entre a bolsa e a ponta de um tubo ou conexão cerâmica. A norma NBR 14208 de 1989 da ABNT .fixa as condições exigíveis para a aceitação e/ou recebimento de tubos cerâmicos com junta elástica, tipos "E", "K" e "O", utilizados em canalizações de esgoto sanitário, despejos industriais e águas pluviais, que operam sob a ação da gravidade. 4.8.2. Tubo de concreto Tem sido utilizado para coletores de esgoto com diâmetro igualou maior que 400 mm, principalmente para coletores-tronco, interceptores e emissários. A norma NBR 8890 de 1989 da ABNT padroniza os diâmetros de tubos de concreto para diâmetro nominal (DN) igual a 400, 500, 600, 700, 800,900, I 000, I 100, 1 200, I 500, I 750, e 2 000 mm, Para redes de esgoto podem ser utilizados tubos de concreto simples e tubos de concreto armado. Para tubos de concreto simples a NBR 8889 prevê duas classes de tubos (S-1 e S-2) e diâmetros de 200 a 1 000 mm. Para tubos de concreto armado a NBR 8890 prevê duas classes de tubos (A-2 e A-3) e diâmetros de 400 a 2.000 mm. Todos os tubos de concreto devem ser submetidos, por amostragem, aos ensaios de recebimento quanto à determinação da resistência à compressão diametral, verificação de penneabilidade, estanqueidade, e índice de absorção de água. Os anéis de borracha para junta elástica devem ser submetidos também aos ensaios de

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114

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO SANITÁRIO

115

) )

dureza, tração, deformação, envelhecimento e determinação da absorção de água. Todos esses ensaios são normalizados pela ABNT.

) )

) ) , .J

4.8.3. Tubo de Plástico Há uma grande variedade de materiais conhecido pelo nome genérico de plástico. A característica química fundamenta! desse material é a existência de moléculas longas de hidrocarbonetos. Os principais tipos de tubos de plástico utilizados em sistema de coleta e transporte de esgoto são apresentados a seguir .

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)

4.8.3.1.

Tubos de PVC

Os tubos de poli cloreto de vinila (PVC) com junta elástica são norrnalizados através da norma NBR 7362-1 de janeiro de 1999. Essa norma fixa as condições exigíveis para tubos de PVC, destinados a rede coletora e ramais prediais enterrados para a condução de esgoto sanitário e despejos industriais, cuja temperatura do tluidonãoexceda 40°C. Os requisitos específicos para os diversos tipos de PVC são estabelecidos nasNBR 7362-2 e NBR 7362-3 de janeiro de 1999. Os diâmetros nominais de tubos de PVC são de 100, 150,200,250,300,350 e 400 mm, todos com comprimento total de 6,0 m. ( As conexões, as juntas, classe de rigidez, estabilidade diametral e resistência ao \impacto dos tubos de PVC são normalizados pela ABNT. Os tubos de PVC são altamente resistente à corrosão e são utilizados em redes coletoras na mesma faixa de utilização dos tubos cerâmicos. Em regiões com lençol freático acima dos coletores de esgoto (regiões litorâneas) constitui como principal alternativa de utilização.

)

4.8.3.2.

Tubos de polietileno de alta densidade

4.8.4.

Tubos de ferro fundido

São largamente utilizados em linhas de recaI que de elevatórias. Para escoamento livre são utilizados em travessias aéreas, passagem sob rios, ou em situações que necessitam de tubos que suportem cargas extremamente altas. São disponíveis no mercado com diâmetro nominal de 100 ISO 200 250 300, 350,400, 500. 600, 700, 800,900, I 000 e I ioo mm, com ~omp'rime~to d~ 6m. São sensíveis a corrosão pelos esgotos ácidos ou em estado séptico, e por solos ácidos. Quando ocorrem essas condições desfavoráveis devem ser previstos revestimentos internos e/ou externos. 4.8.5.

Tubos de fibrocimento

Os tubos de fibrocimento já nào são fabricados no Brasil há vários anos. 4.8.6.

Tubos de aço

. Os tubos de aço são recomendados nos casos em que ocorrem esforços elevados sobre a linha, como no caso de travessias diretas de grandes vãos, cruzamentos subaquáticos, ou ainda quando se deseja uma tubulação com pequeno peso, de absoluta estanqueidade e com grande resistência a pressões de ruptura. Devido à sua grande flexibilidade os tubos de aço resistem aos efeitos de choques, deslocamentos e pressões externas. São disponíveis no mercado, tubos de aço com ponta e bolsa, junta elástica, diâmetro nominal de 150,200,250,300,350,400,450,500,600, 700, 800. 900, I 000, I 100 e I 200 rum. A lérn disso, são fabricados tubos de aço soldado, rebitado, sem costura e corrugados.

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Os tubos de polietileno de alta densidade tem sido utilizado em ligações prediais de água e em emissários submarinos de esgoto. 4.8.3.3.

Tubos de poliéster armado com fios de vidro

Os tubos de poliéster armado com fios de vidro utilizados em esgoto sanitário devem ser de ponta e bolsa, com junta elástica e trazer impressas na superfície externa em caracteres bem visíveis e de forma indelével, o diâmetro nominal, o comprimento útil, o seu uso e a classe a que pertence. A norma prevê classes de 10, 40, 60, 80, 100, 120 e ISO e diâmetros nominais de 200 a 1200 mm, com variação de 50 em 50 mm até DN = 600, e de 100 em 100 mrn a partir de DN = 600 a DN = 1 200.

4.9.

LIGAÇÕES PREDIAIS

Ligação predial ou ramal predial é o trecho de canalização que, partindo do coletar, alcança o alinhamento da rua. A partir desse ponto, começa a instalação predial.já portanto, dentro dos limites da propriedade beneficiada. . . A execução da ligação predial é feita normalmente por solicitação do interessado quando a rede coletora encontra-se em execução ou já em funcionamento. 4.9.1.

Sistemas de ligações

Em função da posição da rede coletora na via pública, da sua profundidade, do tipo de terreno, do tipo de pavimentação, da época de execução da rede em relação

í ) 116

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

DE REDES COLETORAS

LIGAÇÃO

à ocupação dos lotes, do conhecimento das testadas dos lotes não edificados bem como de razões de ordem econômicas, podem ser previstos os seguintes sistemas de ligações: .

Sistema ortogonal-

__ -L-----,n-

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I

)

ligação simples

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DE 45

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COM"Te"

ou

CURVA

DE 00

Figura 4.19 - Ligação vertical: (a)junção

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ou SELIM

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ou curva de 45', (b) Tê ou curva de 9Ü", (c) sela ou selim.

)

RAMAL INTERNO RAMAL I PREDIAL!

SELA

(c)

(b)

(a)

a: w U)

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I~'

COM JUNÇÃO

oI-

117

VERTICAl.

Este tipo de ligação ocorre quando, para a derivação do tê de ligação ou da sela, é encaminhado um único ramal predial e, neste caso, o tê de ligação ou a sela foram inseridos na rede coletora em posição tal que o ramal predial fique perpendicular ao alinhamento da propriedade (figura 4.18).

.

SANITÁRIO

)

• sistema ortogonal-Iigações simples; • sistema ortogonal- ligações múltiplas; • sistema radial-ligações múltiplas. 4.9.1.1.

DE ESGOTO

ALINHAMENTO

PASSEIO

FigUrj 4.18 - Sistema ortogonal.

Quando a distância vertical entre a extremidade do ramal interno na soleira e a tubulação da rede coletora for apreciável, o ramal predial poderá ter uma parte vertical, isto é, a coluna instalada sobre o coletor geral (figura 4.20). • Ligação a 45° - quando é reduzida a distância vertical entre o ramal interno e a rede coletora, o tê de ligação já é intercalado na rede com a derivação inclinada a 45° em relação à vertical e a concordância do ramal predial com a rede é feita com curva de 45° (figura 4.21). • Ligação de topo - deverá ser evitada a ligação de topo, isto é, quando a . derivação do tê de ligação tem inclinação maior que 45° em relação à vertical (figura 4.22)

• ligação vertical ~ a derivação do tê de ligação ou da sela é disposta verticalmente e a conexão do ramal predial com a rede coletora será feita com curva .~e 45° ou junção a 45° (figura 4.19a), ou então, curva de 90° ou tê (figura 4.19b). A ligação poderá ser feita através de sela ou selim (figura 4.19c), nos casos de ligação em redes existentes.

)

) /

)

) 4.9.1.2

Em função da distância da rede coletora ao alinhamento dos lotes e da profundidade em que essa rede foi implantada em relação à extremidade do ramal interno na soleira, podem ocorrer os seguintes tipos de ligações:

)

Sistema ortogonal-Iigações

múltiplas

)

Este tipo de ligação ocorre quando, por um único ramal predial, são esgotados dois ou mais prédios, através dos seus respectivos ramais internos e sub-ramais prediais, pelas seguintes razões:

)

)

) - a rede coletora está no leito carroçavel; - a testada dos lotes não é conhecida; - não se desejam novos danos no pavimento.

)

) )

) I

)

) )

,

) 118

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PROJETO DE REDES COLETORAS COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

119

DE ESGOTO SANITÁRIO

r

(a)

)

LIGAÇÃO A 45'

) )

) ) )

(d)

)

Figura 4.21 - Ligação a 45".

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LIGAÇÃO DE TOPO

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LEITO CARROÇAVEL

___

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PASSEIO

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DE CONEXÃO

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) Figu ra 4.22 - Ligação de topo.

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'I

A conexão dos sub-ramais prediais com o ramal predial único deverá ser feita através de:

PASSEIO PRCFU"O[)A,[E MNIM\ NA.$O..EJRA:O.5On

- caixa de inspeção (figura 4.23); - tês ou junções a 45", superpostos.

) ,)

Esses dispositivos de conexão deverão ficar localizados no passeio a fim de permitir fácil acesso para as operações de inspeção e desobstrução.

) ), I

)1 )1

JI !

) )

)

4.9.1.3

Figura 4.20 - Ligações_de esgotos qu.allto a posição da rede coletora: (a) ligação no passeio adjacente, (b) ligação no terço adjacente, (c) ligação no eixo.

Sistema radial-ligações

múltiplas

Esse tipo de conexão ocorre quando, para a derivação vertical do tê de ligação ou à sela, são encaminhados dois ou mais ramais prediais, devido às seguintes razões:

"f) )

120

PROJETO DE REDES COLETORAS DE ESGOTO SANITÁRIO

COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO sANITÁRIO

tês de ligação já foram deixados em pontos pré-determinados, durante a execução da rede coletora, guardando uma distância pré-determinada entre si; - . não foi deixado o tê de ligação onde era necessário e/ou existia impedimento para a colocação de uma sela. .

-

PASSEIO

II I

SUB-RAMAL PREDIAL

CAIXA DE INSPEÇÃO

121

OS

.:

I I I

A conexão dos vários ramais será feita com tês ou junções sobrepostas à sela ou ao tê de ligação inseridos na rede coletora (figura 4.24).

RAMAL INTERNO

E CONEXÃO

) ) )

) )

) )

) 4.9.1.4.

Devido as pecularidades das regiões litorâneas, foram desenvolvidas tipos de ligações prediais diferentes daquelas utilizadas em outras regiões. Na Baixada Santista, a SABESP, com base em experiência acumulada de vários anos recomenda os tipos de ligação predial apresentados na figura 4.25.

~Qo-

o r~ o

u w o' w cr:

« Q -' w o w r-

Ligações utilizadas na Baixada Santista, Estado de São Paulo

h==~

)

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) )

RAMAL INTERNO

4.9.2. Dimensionamento RAMAL INTERNO

da ligação predial

Os ramais prediais devem ser assentados obedecendo às dec1ividades mínimas exigidas para cada diâmetro de tubulação, ou seja: • diâmetro de 100 mm (DN 100): 2% ou 0,020 mim • diâmetro de ISO mm (DN ISO): 0,7% ou 0,007 mim • diâmetro de 200 mm (DN 200): 0,5% ou 0,005 mim

)

) )

) ) )

O diâmetro mínimo recomendado é de 100 mm (DN 100).

~: .....'2"

~

~I

-'--~

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4.9.2.1. Critérios de dimensionamento

) )

O diâmetro da tabulação do ramal predial deve ser determinado em função da vazão máxima instantânea de descarga do prédio. Como a vazão para um determinado diâmetro de tubulação varia com a dec1ividade, a escolhado diâmetro adequado pode ser feita com o auxílio da tabela 4.7. Na impossibilidade da determinação da vazão pode-se utilizar dos seguintes critérios: • Pela estimativa de descarga de aparelhos sanitários, utilizando-se a tabela 4.8 de dimensionamento do ramal predial.

Figura 4.23 - Sistema ortogonal-ligações múltiplas.

)

) )

) ) ) ) ) )

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-j )

) )

122

COLE'IA

E TRANSPORTE

PROJETO DE REDES COLETORAS

DE roSGOTO SANITÁRIO

--n

)

PASSEIO

) )

I

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RAMAL

INTERNO

RAMAL

INTERNO

) )

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"TE' DE. LlGAÇAo

00 SElJ\.

Figura 4.24 - Sistema radial-ligações

múltiplas.

Figura 4.25 - Ligações prediais utilizados na Baixada Santista.

DE ESGOTO SANITÁRIO

123

l'

1

) )

124

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO PROJETO

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

125

)

Tabela 4.7 - Vazões em função do diâmetro e da declividade.

0100 mm (DN 100) Declividade vazão %

mim

eis

2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 3,0 3,5

0,020 0,021 0,022 0,023 0,024 0,025 0,030 0,035

3,8 3,9 4,0 4,1 4,2 4,3 4,6 5,0

0150 mm (DN 150) Vazão Declividade %

mim

eis

0,7 0,8 0,9 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

0,007 0,008 0,009 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030

6,8 7,3 7,7 8,2 10,0 11,6 12,9 14,2

Fonte: CETESB - Norma 01.020

Tabela 4.8 -Dimensionamento

Diâmetro (nun)

do ramal predial

Número máximo de Unidades Hunter de Contribuição Declividadesmínimas (%) 0,5

100 (DN 150 (DN 200 (DN 250 (DN 300 (DN 400 (DN

100) 150) 200) 250) 300) 400)

1.400 2.500 3.900 7.000

1 180 700 1.600 2.900 4.600 8.300

)

2 216 840 1.920 3.500 5.600 10,000

4

250 1.000 2.300 4.200 6.700 12.000

Na tabela 4.9 são apresentadas as unidades Hunter de contribuição dos principais aparelhos sanitários

) )

Tabela 4.9 - Unidades Hunter de contribuição dos aparelhos sanitários

Aparelho sanitário

Número de Unidades de Hunter de Contribuição

Bacia sanitária Banheira de residência Bebedouro Bidê Chuveiro: - de residência - geral mictório - válvula de descarga - caixa de descarga - descarga automática - de calha por metro . Pia de cozinha residencial Pia de cozinha industrial: - preparação -Iavagem de panelas tanque de lavar roupas máquina de lavar louças máquina de lavar roupas

6 2 0,5 1

) )

) ) )

)

1

)

2

)

6 5 2 2 3 3 4 3 2 3

Fonte: Norma NBR 8160//983 da ABNT

) \

./

) ) )

) )

) ) )

Fonte: Norma NBR 8160/1983 da ABNT

• Pelo número de unidades habitacionais (média), conforme tabela 4.10. Tabela 4.10 - Diâmetro do ramal predial em função do número de unidades habitacionais

Diâmetro (mm)

) )

Unidades habitacionais

)

até 4 até 20

)

100 (DN100) 150 (DN150) Fonte: Cetesb - Norma 01.020.

No caso de OCOITer,além do despejo proveniente dos aparelhos sanitários, também despejos industriais, o ramal predial deve ser diinensionado para a vazão total, atendidas as recomendações indicadas no item 4.9.2.

) ) ) ) )

)

) )

) )

126

COLETA

E TRANSPORTE

PROJETO

DE ESGOTO SANITÁIUO

) )

4.9.3.

Determinação da profundidade atender à ligação predial

mínima do coletor público para

)

) )

) ) ) J

)

) /

)

)

A profundidade mínima da rede coletora de esgoto está relacionada com a possibilidade de esgotamento das instalações sanitárias e proteção das tubulações contra cargas externas. A profundidade mínima do coletor público para atender às ligações prediais pode ser determinada através da equação 4.54, em função dos valores indicados na figura 4.26. p

(4.54)

= a + iê + h + h,

Onde: p = profundidade mínima do coletor público, m; a = distância entre a geratriz inferior interna do coletor público até a geratriz inferior interna do ramal predial, m; . )-::~'" i = declividade do rama predial, mim; r- , "" ~ e = distância entre o coletar público e a caixa de inspeção, m; -;..> h = desnível entre a via pública e o aparelho sanitário mais desfavorável.jn; h<= altura da caixa de inspeção c _

DE REDES COLETORAS

Dl' ESGOTO

SANITÁRIO

127

o valor de (/ varia de acordo com o ângulo utilizado para conexão do ramal com coletor público e os seus diâmetros. A tabela 4.11 apresenta os valores de (/ e i para os diversos casos. Tabela 4.11 - Valores de

Diâmetro do coletor públ ico

li

e i para diferentes

diâmetros do ramal predial e do coletar público.

Diâmetro (rnm) e declividade do ramal (%)

(rnm)

100 i=2'Yo

150 i=O,7%

200 i=0,5%

150 200 300 450

0,20 0,25 0,35 0,48

0,24 0,34 0,47

0,23 0,32 0,46

4.10. PROJETO

EXECUTIVO DE REDES DE ESGOTOS Eng''. Antonio Lívio Abraços Jorge (*)

r-

)

) ) )

, he

Estabelecida a concepção e o projeto básico (projeto hidráulico), geralmente haverá a necessidade de se elaborar o projeto executivo para a execução das redes de esgotos, principalmente em áreas com várias interferências. soleiras negativas e topografia variável. Em várias situações. o custo da obra poderá sofrer uma sensível diminuição, quando a obra é executada com o suporte de um projeto executivo. O projeto executivo deverá ser elaborado com a participação de profissionais ligados ao projeto. à execução de obras, e à operação e manutenção do sistema de esgotos. Recomenda-se que o projeto contenha as planilhas de quantidades de serviços e materiais confiáveis, com definições precisas dos tipos de escoramento, embasamentos, necessidade ou não de substituição do solo, os tipos de pavimentos a serem rompidos e repostos, os processos para o esgotamento da água do subsolo, a metodologia para a transposição das interferências, a indicação de jazidas para o aterro das valas e a localização de áreas para depósito ou bota-fora do solo escavado. Para o desenvolvimento do projeto executivo são necessários, de um modo geral. os seguintes passos:

CURVA DE4S'

Figura 4.26 - Profundidade

mínima do coletor.

(*)Consultor

e professor da Faculdade de Engenharia da Fundação Armando Álvares Pentcado-FAAP

i )

í

128

PROJETO DE REDES COLETORAS DE ESGOTO SANITÁRIO

COLETA ETRANSPORTB DE ESGOTO SANITÁRIO

129 1 ~ I

• Consulta ao projeto básico; • Atualização do cadastro do sistema de abastecimento de água e de esgoto sanitário; • Atualização do cadastro das demais concessionárias de serviços públicos; • Consulta à Prefeitura Municipal, Companhia Municipal de Desenvolvimento, Departamento de Estrada de Rodagem e Ferrovia; • Elaboração do traçado preliminar do coletor a ser projetado, identificando-se as contribuições singulares e as contribuições (ampliações) futuras; • Serviços de apoio técnico: topografia e geotecnia: - nivelamento e contranivelamento geométrico dos pontos de interseção, quebra de "grade" e de direção; - levantamento cadastral de poços de visita, bocas de lobo, canais e canaletas de drenagem, estruturas de semáforo, estruturas aparentes das concessionárias de serviços públicos de eletricidade, telefonia, tráfego e distribuição de gás; - amarração e nivelamento das soleiras abaixo do "grade"; - levantamento em campo das cotas de inundação e dos níveis máximos dos cursos de água, recorrendo-se às indicações dos moradores; -locação em campo dos orgãos acessóriosprojetados; - sondagens geológicas para reconhecimento do solo e do nível do lençol freático. As sondagens devem ser executadas por percussão e a trado, com distância de cerca de 50 metros entre dois furos de sondagem; - detecção eletromagnética - em vias públicas congestionadas com dutos de diversas concessionárias, recomenda-se a realização de levantamento das canalizações e estruturas subterrâneas através do processo da detecção eletromagnética; - faixas de servidão ou de desapropriação - às vezes toma-se necessário para a passagem do coletor, estabelecer as faixas de servidão ou de desapropriação que deverão ser definidas no projeto executivo e levantadas topograficamente (planialtimétrico e cadastral). As larguras das faixas encontram-se definidas na tabela 4.12. É importante observar que a largura da "faixa de servidão" será definida considerando-se as necessidades para a execução e futura manutenção das redes, disponibilidade fisica da área e a tolerância do proprietário que a concede.

Tabela 4.12 - Largura de faixa de servidão para implantação

!

de coletores

I

!

) )

"

Prof.da escavação (m)

I

Diâmetro D (mm)

I

Até200· inclusive

~4

250 a 500 inclusive

~4

600 a 1.000 inclusive

~4

1.050 a 2.500 inclusive

~4

I

I

I

> 2.500

Largura das faixas (m) Operação Construção

)

I, )

2 6

2 6

5 6

5 6

7 8

7 8

>4

9 10

9 10

)

Qualquer

12

12

)

>4 >4 >4

) )

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) )

)

• Peças gráficas:

) )

- cadastro das estruturas visíveis; croquis das amarrações ( método da triangulação ) dos órgãos acessórios projetados, dos pontos de segurança implantados e dos furos de sondagens geotécnicas; - plantas do traçado (caminhamento) escala 1:2 000 com a indicação de todos os órgãos acessórios numerados, soleiras contribuintes abaixo do nível do arruamento, furos das sondagens geotécnicas, identificação de eventuais faixas de servidão ou desapropriação; perfis das coletores - projeto geométrico em planta e perfil das redes nas escalas H-I: 1 000 e V-I: 100 com indicação das interferências cadastradas, pontos de deflexão do terreno, estaqueamento do terreno, órgãos acessórios, extensão, declividade, diâmetro e material da tubulação, estruturas de assentamento e escoramento. A figura 4.27 apresenta o modelo do perfil do projeto executivo dos coletores de esgoto sanitário • Verificação hidraúlica dos trechos projetados;

) )

) ) )

) ) )

) ) )

) )

• Levantamento dos quantitativos de serviços e materiais.

)

• Melhor posição para a locação

) )

) )

j ) ) )

130

COLETA E TRANSPORTE

PROJETO DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO SANITÁRIO

DE ESGOTO SANITÁRIO

131

) Na prática tem-se as alternativas - no eixo, no falso terço (adjacente no terço verdadeiro (adjacente ou oposto) e passeio.

)

ou oposto)

)

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VER NOTA 1

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Figura 4.28 - Posições para locação dos coletores.

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150 i=

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1'=0. 043

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>0 0.>-

)

49.00

38,95

R. FlORrANO PEIXOTO (TERÇO OIREITO-PAVIM, VER PlANTA)

) N

~ M

q

N

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~ ~

NI

i

) Figura 4.7j{- Perfil do projeto executivo dos coletores de esgoto.

)

I

indicadas

para o assentamento

das redes.

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'"

o

• Profundidades

M

o

),

- No passeio - É teoricamente a mais indicada. Poderão ser utilizados quando já não estiverem ocupados por outras estruturas, tiverem largura mínima de 1,50 m, casas com alinhamento recuado, posteamento e arborização alinhadas juntos as guias. Profundidade na rede limitada a 1,80 m. Exige duplicação da rede. No terço verdadeiro - recomendada para quando o falso terço e eixo estiverem ocupados por outras estruturas.

;::

;1;

)

AV. MARECHAL MALlET (PASSEIQ.CIMENTADO)

- No falso terço - a tubulação é assentada a uma distancia de 0,40 m do alinhamento das sarjetas. É utilizada sistematicamente. Não é recomendada quando é imperioso o rebaixamento do lençol freático. - No eixo - recomendada para as regiões e cidades onde as galerias de drenagem estão no falso terço ou passeio. É também indicada para ruas ainda não pavimentadas.

.

A profundidade ideal é aquela que proporciona a coleta e o afastamento dos esgotos com aplicação racional dos recursos financeiros e da tecnologia disponível.

) ) )

132

PROJETO DE REDES COLETORAS DE ESGOTO SANITÁRIO

COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

4.12.1

A experiência acumulada pela SABESP no Estado de São Paulo recomenda as seguintes profundidades mínimas: Localização na via pública redes redes redes redes redes

. Capital, Região Metropolitana e Interior

Baixada Santista e Litoral Norte

1,20 m 1,40m 1,50 m 1,60 m 1,60m

0,90m 1,10 m 1,20 m 1,30 m 1,40 m

no passeio no terço adjacente no eixo no terço oposto em ruas não pavimentadas

Programa

133

)

)

em Excel

) )

Eng." Paulo Sérgio Simões de Souza (*) Eng.' Angélica Yumi Hirata (**)

/

) )

A planilha de cálculo da rede de esgoto que deve ser montada em Excel é apresentada na figura E 1. Para o cálculo dos parâmetros hidráulicos foi utilizado o equacionamento descrito a seguir.

) ) ) ) )

4.11. SOFTWARE PARA PROJETO

)

DE REDE COLETORA DE ESGOTO

Pelo fato de, no Brasil e mesmo em alguns países latinos americanos o dimensionamento dos coletores de esgoto serem efetuados com a utilização dos conceitos da tensão trativa e de velocidade crítica, os softwares internacionais não podem ser usados, porque em outros países não se utilizam esses conceitos. Dentre os vários softwaresexistentes no mercado brasileiro, destacam-se os seguintes:

) o

) , ,

) )

)

• Proesg-Cad; • Cesg; • SANeAD. Todos esses softwares operam no ambiente Windows, têm interface gráfica com o Autocad, obedecem as normas brasileiras, e são utilizados para o dimensionamento de redes coletoras de esgoto sanitário.

Na figura tem-se: D = diâmetro do conduto, m; Y = altura da lâmina d'água, m; S = seção molhada, m'; P = perímetro molhado, m; R = raio hidráulico, m.

)

)

) )

)

Tem-se: 4.12

PROGRAMA DE ESGOTO

)

PARA DIMENSIONAMENTO

)

DA REDE COLETORA

Com a evolução da informática observada nos últimos anos, o uso do computador toma-se cada vez mais freqüente, passando a auxiliar em atividades que, anterionnente, demandavam muito tempo e esforço. A atividade de projetar uma rede de esgotos é, sem dúvida, um bom exemplo do uso da informática como ferramenta no saneamento básico.

)

) aD P=2

Y D

l-cos

(a /2) 2

) ) )

(*) Gerente de D'ivisão da Superintendência de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico da SABESP (**) Coordenadora de Planejamento e Desenvolvimento Tecnológico da SABESP

)

) )

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)

l34

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO PROJETO

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definindo-se . t(a)=

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'/3

a-

a função em a, resulta: ?

(a-sena)D-x(a-senat-O--x!13'

'3

2 I'a-'

us

011

ln

-Qxn

(4.56)

Resolvendo a equação (4.56) por algum processo iterativo, pode-se calcular o ângulo central (a) e preencher a planilha de cálculo de rede de esgoto sanitário. O equacionamento para o cálculo da tensão trativa e velocidade crítica estão apresentadas a seguir:

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.

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fazendo as devidas simplificações,

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02' a)-x(a

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c

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H ~-

~ ~

de Manning

(R) e (S) na equação (4.55), tem-se:

I

.gb-. ;;;-;;; ti'"

"'.z .-.

u

-

de rugosidade

I:

'XI

w

n = coeficiente

I

lil,l: .1.

(4.55)

da tubulação

I

HC

Q=~SR2i3Jl

I = declividade

II

"

temos:

~ o: ~

1'\1

jLJ:'~ f-

de Manning

o o d.

n

)

Da fórmula

g!_

~~~ >->-

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5

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P

Q = vazão

I;;;

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)

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I

DE ESGOTO

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J

DE REOES COLETORAS

..c:

>;;;l

....

(*) raio hidráulico inicial do trecho (**) raio hidráulico final do trecho

~ ~

A listagem

de formulação

das células é apresentada

a seguir:

:j

136

COLETA

Célula DI3 F13 H13 Jl3 L13 N13 013 Pl3 Rl3 Sl3 Tl3 Ul3 V13

Célula DI4 F14 Jl4 L14 N14 R14 S14 Tl4 Ul4 V14

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

Fórmulas -linha 13 =SE(Cl3=0;"";+(Cl3*B13)11000) =SE(C13=0;"";+El3+DI3) =SE(BI3=0;O;(Jl3-Jl4)/B 13) =SE(C 13=0;" ";+Il3-Kl3) =SE(R 13=0;'''';(l-cos(R 1312)/2) =SE(CI3=0;" ";SE(Tl3=0;" ";+SI31T13)) =SE(CI3=0;"";1000*V13*HI3*10) =SE(Cl3=O;" ";SE(VI4=0;" ";6*(9,81 *VI4)"(1I2))) =SE(CI3=0;0;SE(B 13=0;0;calculaB(G 13/1000;HI3;FI3))) =SE(FI3<1,5;1,511000;Fl3/1000) =(RI3-SEN(R13))*(GI3/1000)"2/8 =(RI3*Gl3/1000)/2 =SE(U13=0;0;+Tl3/Ul3)

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

137

=(R 15-SEN(RI5))*(G 15/1000)"2/8 =(RI5*G 15/1000)/2 =SE(U 15=0;0;+ T 15/U 15)

Tl5 Ul5 V15

)

\

(

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I )

I! )

)

:

'I) (

)

(

).

Fórmulas -linha 16

Célula

=SE(CI6=0;" ";+(CI6*BI5)/1000) =SE(CI6=0;" ";+EI6+D 16) =SE(CI6=0;" ";+Il6-KI6) =SE(RI6=0;" ";(1-cos(RI612)/2) =SE(CI6=0;" ";SE(Tl6=0;" ";+SI6/TI6)) =SE(C 16=0;0;SE(B 15=0;0;calculaB(G 15/1000;HI5;FI6))) =SE(FI6<1 ,5; 1,5/1OOO;F16/1000) =(R 16-SEN(R 16))*(G 15/1000)"2/8 =(R 16*G 15/1000)/2 =SE(U16=0;0;+Tl6/U16)

DI6 Fl6 Jl6 L16 N16 R16 S16 Tl6 Ul6 V16

)

) )

)

(

) )

) )

)

Fórmulas -linha 14 =SE(CI4=0;" ";+(CI4*B 13)/1000) =SE(CI4=0;"";+EI4+DI4) . =SE(CI4=0;"";+I14-KI4) =SE(RI4=0;" ";(I-cos(RI412)12) =SE(CI4=0;" ";SE(TI4=0;" ";+S 14/T14)) =SE(CI4=0;0;SE(B 13=0;0;calculaB(G 13/1OOO;H13;F 14))) =SE(F 14<1,5; 1,5/1OOO;F14/1000) =(RI4-SEN(RI4))*(G 13/1000)"2/8 =(RI4*G 13/1000)/2 =SE(U14=0;0;+T14/U14)

A lei de formação das fórmulas das células torna-se evidente acompanhando a tabela disposta acima, desta forma.basta replicar as fórmulas paraas outras linhas da planilha. . É mostrado a seguir o processo de montagem da Macro "calculaB" dentro do Excel. Para se montar a macro é necessário entrar no menu de "ferramentas", onde será apresentada a barra de opções conforme ilustra a figura E2. EJitttffl,'fflMt.!

.•

)

j J

,) )

)

§p

) )

Célula DI5 F15 HI5 Jl5 L15 N15 015 P15 RI5 S15

)

Fórmulas -linha 15 =SE(CI5=0;" ";+(CI5*BI5)/1000) =SE(CI5=0;" ";+EI5+D 15) =SE(B 15=0;" ";(Jl5-Jl6)/B 15) =SE(CI5=0;" ";+115-KI5) =SE(RI5=0;" ";(l-cos(RI5/2)12) =SE(CI5=0;" ";SE(T15=0;" ";+S 15/T15)) =SE(CI5=0;" "; 1000*VI5*HI5* 10) =SE(CI5=0;" ";6*(9,81 *V16)"(1I2)) =SE(CI5=0;0;SE(B 15=0;0;calculaB(G 15/1000;HI5;FI5))) =SE(FI5<1 ,5; 1,5/1000;FI5/1000)

I) )

)

)

(

()

) (

Figura

E.2 . Menu "ferramentas" (

) )

)

j ) ) )

138

)

o passo seguinte é entrar no sub-menu "macro", onde será evidenciada a opção para construção de macros. conforme ilustra a figura E.3. Basta "clicar" na opção "Editor do Visual Basic".

) )

)

COLlTA

m:tt:ttttttIlMIf·

E TRANSI'ORTl

DllSGOTO

SANrrARIO

PROJLTO

_IBlx!

I.Si"

Dl RlDlS

COLETORAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

139

A tela de edição da macro estará aberta, sendo necessário apenas digitar o texto que se encontra listados abaixo. Após a digitação, basta "clicar" em "arquivo" (menu superior a esquerda), "clicar" na opção "salvar", depois "clicar" novamente em "arquivo" e "clicar" em "fechar e voltar para Microsoft Excel". A macro já esta ativa no Excel.

) )

'13

JL&q.jvo_~~~~r

~~~

Qe~_

'ils.1'i§J-fiil!' ê~li".M ," ".: ~"':2~~~~6~~(""fjft. ,ia..WtlWttt'I@1fi!)

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E!.ecutar

E.err~~"~~.-..c-_4

'

• " .'~ll1,lI:li''B~l.'lú)

·1

'1IGerl!)

) )

) ) )

) )

Figura [,3 -Sub-mcnu

"mucro'

)

) )

Após entrar no Editor do Visual Basic, deve-se escolher a opção "exibir"; nesse momento a barra de rolagem é aberta e as opções são apresentadas; basta "clicar" no comando "código".

Figura

E.5 - Tela de edição

0:t1fttffli€dttt':HfWifi.-.II'Wi

Const lamrnax = 0.85 Const epson = 0.0001 'precisão Const n = 0.0 13 'cocl. de manning Const pi = 3.141592 'pi Dim q As Singlc 'vazão Dim i As Singlc 'dcclividadc Dim d As Singlc 'diâmetro Dim a As Singlc Dim a 1 As Sing1c Dim 32 As Single Dim ac As Singlc Dim amax As Single 'angulo máximo Dim xaux As Singlc Dim acos I As Singlc 'angulo auxiliar Dim area I As Singlc Dim rh 1 As Sing1c Dim area2 As Singlc Dim rh2 As Singlc Dim fmax As Singlc Dim Jinin As Single

Programação da Macro calculaB

) )

) ) )

) ) ) ) ) ) ) )

)

Figura

E.4 - Editor

do Visual

Basic

Dim Dirn Dim Dim Dim

cpi As Single sinal As lntcgcr Ia As Singlc Iab As Sing1c lamina As Singlc

Function calculaêtdp As Singlc) As Variant i=ip q=qp d=dp lfq < 1.5 Thcn q= 1.5 Endlf q = q /1000 'cálculo

dc amax

As Singlc, ip As Singlc, qp

I) ( ) I

140

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

)

141

I: )

xaux = I - (2 * lammax) acos I = -Atn(xaux I (Sqr(-xaux 12 amax = 2 * acosl a= amax

* xaux

+ I))) + pi

aI =0.0001 a2=amax

Ifab < (pi) Then area2 = (ab - Sinrab) * d 1\ 2/8 rh2 = area21 (ab * d 12) Else ab = 2 * pi - ab area2 = (pi * d 1\ 2)/4 - «ab - Siruab) 1\ 2/8) rh2 = area21 «pi

* d)

- ab * d 12)

EndIf If a I < (pi) Then areal =(al-Sin(al»*dI\2/8 rh I = area I1 (a I * d 12) Else aI = 2* pi - a l areal =(pi * d 1\ 2)/4-«al 1\ 2/8)

4.12.2.

*d

PROGRAMA

I )

EM VISUAL BASIC

No anexo IV será apresentado um procedimento para a elaboração de um sistema computacional, em linguagem Visual Basic 3.0 . Esse programa elaborado pelo Eng," Paulo Sérgio Simões de Souza é um programa simplificado de dirnensionamento de rede coletora de esgotos, no entanto, poderá ser utilizado como uma semente embrionária para a elaboração de um sistema complexo de projeto de rede coletora de esgoto.

i( ) !( )

I( ) I() I( )

. fa = q - I I n * area I * rh I 1\ (2/3) * Sqr(i) fab = q - I1 n * area2 * rh2 1\ (2/3) * Sqr(i)

4.13. EXEMPLO - Sin(al)) * d

rh I = area I I (Ipi * d) - a I * d 12) EndIf If a2 < (pi) Then area2 = (a2 - Sin(a2)) * d 1\ 2/8 rh2 = area2 I (a2 * d I 2) BIse a2.=2* pi -a2 area2 = (pi *.d 1\ 2) 14 - «a2 - Sin(a2» 1\ 2/8)

*d

rh2 = area21 «pi * d) - a2 * d 12) EndIf fmax = q - I I n * area I * rh I 1\ (2/3) * Sqr(i) fmin = q - I1 n * area2 * rh2 1\ (2/3) * Sqr(i)

IfSgn(fab) = sinal Then aI = ac Else a2 = ac EndIf epi = (aI - a2) Loop lamina = (I - Cos(ac 12» 12 larnina = Int(-Iamina * 100) 1I 00 aux texto =' Str$(-Iamina) If -Iamina < 0.85 Then calculaB = ac Else calculaB = "conduto forçado" EndIf

DE DIMENSIONAMENTODE

UMA REDE COLETORA

(

)

I

)

J) Projetar a rede coletora de esgotos para a planta em anexo, com os seguintes dados: • • • • • • • •

População inicial: P, = 2000 hab População final: Pf= 3500 hab Consumo de água efetivo per capita: q = 160 elhab x dia Coeficiente de retorno: C= 0,8 Coeficiente de máxima vazão diária: K, = 1,2 Coeficiente de máxima vazão horária: K2 = 1,5 Taxa de contribuição de infiltração: Tinf= 0,1 eis x km = 0,0001 eis x m Contribuição localizada: conforme indicado na planta, existem duas vazões de ponta, sendo Qpl localizado na Rua 30 com Qi = Qf = 4,98 eis e Qp2 localizado na Rua 19 com Qi = O Ris e Qf = 3,20 Ris

:

(

)

;(

)

I (

)

,

.()

)

(

()

)

)

( I

EndFunction

)

)

sinal = Sgn(fmax)

(

SOLUÇÃO )

aI =0.0001 a2=2 * pi epi = a l - a2

a) Traçado dos coletores

Do While Abs(epi) > epson ab=(al +a2)/2 ac = ab Ifal «pi)Then area l = (aI - Sin(al)) * d 1\ 2/8 rh I = area I I (a I * d 12) Else aI = 2 * pi - aI areal =(pi * d 1\2)/4 -«aI - Sirua l ) * d 1\ 2/8) rh I = area I I «pi EndIf

* d)

- aI

* d 12)

Na planta, escala 1:2000, com levantamento topográgico plani-altimétrico, com curvas de nível de metro em metro, foi traçada a rede coletora de esgotos, onde foram indicados as singularidades (PV, TIL, TL e CP) e o sentido de escoamento dos esgotos. Para a fixação dos sentidos de escoamento dos esgotos, deve-se procurar seguir, tanto quanto possível, os sentidos de escoamento natural do terreno, para diminuir a profundidade dos coletores. Outros aspectos que influem no traçado de vem ser também considerados, tais como:

I) f

)

(

i )

) () () (

• localização dos coletores (rede simples ou rede dupla); • interferências;

)

)

() f) (

)

~ ) )

142

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

DE REDES COLETORAS

DE ESGÓTO

SANITÁRIO

143

) )

) )

)

Taxa de contribuição linear final

influência do PV e TIL no traçado; • profundidades máximas e mínimas; • aproveitamento de tubulações existentes; • planos diretores de urbanização.

e

e

Q = CK1K2Prq = 0,8xl,2xl,5x3500x160_ df

) ) )

)

)

)

Q

Txf = ~+ c) Numeração

t.,

dos trechos

)

Fazer a numeração dos coletores e dos trechos, crescente, de montante para jusante. Assim, o maior coletor receberá o número 1 e o seu primeiro trecho será 1. Numera-se, a partir daí, todos os trechos. O primeiro coletor que chegar ao coletor 1 será o coletor 2, que terá os seus trechos numerados de montante parajusante, a partir de 1 e assim por diante. d) Cálculo da taxa de contribuição

• vazão a montante: igual a vazão de contribuição proveniente dos trechos a montante, incluindo-se as contribuições localizadas; . • vazão de contribuição no trecho: calculada multiplicando-se a taxa de contribuição linear pelo comprimento do trecho; • vazão ajusante: igual à soma da vazão a montante com vazão de contribuição no trecho.

linear

)

)

. = CK2Piq = 0,8xl,5x2000xI60 86400

) ) )

)

)

)

86400

=444f1s '

• Extensão da rede coletora inicial: Li= 2877 m;

~~

) )

f)

• Vazão doméstica inicial

di

e

Taxa de contribuição linear inicial:

Txt = Qdi + Tinf = 4,44 Li

= 0,003344

As vazões no trecho do coletor são determinadas do seguinte modo:

Taxa de contribuição linear inicial

Q

= 0,00324+0,0001

e) Cálculo das vazões no trecho do coletor

A determinação da taxa de contribuição linear é efetuada do seguinte modo:

)

933 Tinr = -' -+0,0001 2877

Txf=0,00334 Ris X.m =3,34 fls x km

)

)

- 9,33 R./s

• Taxa de contribuição linear final:

)

J

86400

• Extensão da rede coletora final: Lf= 2877 m;

Medir a distância entre singularidades (de centro a centro) e indicar no desenho. A distância entre PV, TIL ou TL consecutivos deve ser limitada pelo alcance dos equipamentos de desobstrução. Normalmente, a distância máxima adotada é de 100m.

) )

86400

b) Distância entre singularidades

) )

Vazão doméstica final:

+ 0,0001 = 0,00154 + 0,0001 = 0,00164;

2877

T'i = 0,00164 fls x m = 1,64 eis x km

Profundidade

mínima dos coletores

Para o projeto em questão foi admitido que na área não há soleiras negativas (h=O) e a altura da c.aixa de ligação (h.) é de 0,50 m. A profundidade mínima para atender adequadamente as ligações prediais pode ser determinada da seguinte maneira: p = a + iL + h + h, P = 0,20 + 0,02 x 25 + 0,50 = 1,20 p=1,20m Foi adotada no projeto o recolhimento mínimo de 1,35 m. Para o diâmetro mínimo de 0 150 mm, a profundidade será de 1,50 m, que atende as condições de ligação predial e proteção da tubulação contra cargas externas.

•

l ) 144

COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO DE REDES COLETORAS

g) Diâmetro mínimo

DE ESGOTO SANITÁRIO

145

• conhecida as vazões inicial e final, a declividade e o diâmetro do trecho, da tabela 4.3 para dimensionamento e verificação das tubulações de esgoto, obtém-se as relações Y ID e as velocidades relativas à vazão inicial e final;

Embora pela NBR 9649 de 1986, o diâmetro mínimo seja de 100 mm, foi utilizado no projeto diâmetro mínimo de I 50 mm. h) Vazão mínima de dimensionamento

• com os valores de Y/D inicial e final, pela tabela 4.4, obtém-se os raios hidráulicos correspondentes a Qi e a Q6

Foi utilizada a vazão mínima de 1,5 eis conforme recomendação da NBR 96491 1986.

• conhecendo o raio hidráulico relativo a Qi e a declividade do trecho, detennina-se a tensão trativa (ái=yRHI) para a condição inicial;

i)

Determinação ção delâmina

) ) ()

)

(

,r ) li) i

:( )

)

do diâmetro e declividade do trecho de coleto r e verificalíquida, tensão trativa e velocidade crítica

• a velocidade crítica (Vc = 6JgRH ) é calculada conhecendo-se o raio hidráulico relativo a Q; Quando a velocidade final Vfé superior à velocidade crítica V" a maior lâmina admissível deve ser 50% do diâmetro do coletor. A máxima velocidade recomendada pela NBR 9649/1986 é de V f= 5m1s.

o cálculo

do diâmetro e da declividade de modo a atender às recomendações da NBR 9649/1986, relativo à tensão trativa, lâmina líquida e velocidade crítica, normalmente, é feito através de calculadoras programáveis, de microcomputadores ou através de computadores de maior porte. Caso não se disponha desses equipamentos, o cálculo pode ser feito através da seguinte sequência:

)

)

)

) j)

Preenchimento alguns trechos

da planilha de cálculo da rede de esgotos - elaborado

para

) ()

. • conhecida em cada trecho a vazão inicial (Qi) e vazão final (Qf), a dec\ividade a ser adotada deverá ser aquela que implique na menor escavação possível e o diâmetro escolhido deverá transportar as vazões Qj e Qr, de modo que a tensão trativa não seja inferior a 1,0 Pa (para Qi) e a altura de lâmina na tubulação não seja superior a 75% do diâmetro (para Qf). A declividade mínima, que satisfaz a condição de tensão trativa de 1,0 Pa, poderá ser obtida pela aplicação da fórmula aproximada:

.Trecho I-I

(

• Cálculo da vazão: Vazão a montante - Qmi= O eis - Qmf= O eis Vazão no trecho

Imi"= 0,0055 Qi-O.47 Vazão a jusante

/\ onde Imi"é em mim e Qi em eis.

o diâmetro

D (em metros) que atende a condição de Y/D~ 0,75 também pode ser obtido pela equação: D = ( 0,0463 ~

r

=

= 0,75,

)

(

)

(

- Qi = 0,146 I!/s - Qf= 0,297 eis

()

502,05-498,00 89

)

I

com Imi"=0,0055 Qi -0.47 =0,0055 (1,5)"°,47 =0,0045 mim Como I, > rmi"adotar a declividade do terreno.

)

r) )

=0 0455 mim '

• Declividade mínima do coleto r: obtida a partir da fórmula de Manning para n = 0,013 e Y/D Qr em m3/s e I, que é a declividade do coletor em mim;

)

- Qti= 0,00 164x89 = 0,146 eis - Qtr = 0,00334x89 = 0,297 eis

Declividade do terreno:

t

f375

)

) (

)

(

)

(

)

I) I

)

)

(

•

j

T

)

) ).

146

COLETA

)

DE ESGOTO

PROJETO

SANlT ÁRlO

Sendo Qi e O. menores que 1,5 eis foi adotada Qi = Qr= 1,5 Ris que é a vazão mínima de dimensionamento hidráulico.

) )

E TRANSPORTE

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

SANITÁRlO

•• Dec1ividade do terreno:

11 = 498,00 - 495,71 = O0603 mim C>

38

Cálculo das lâminas e velocidades

'

)

)

~

-fi.

)

Imin= 0,0055 Qi-0.47= 0,0055 (1,5)"°·47= 0,0045 mim

V

-fi.

)

)

•• Dec1ividade mínima do coletor:

= 0,0015 = O0070 JO,0455 ' Tabela 4.3~ Y10 = 0,15

~

=4,45

Como I, > Imin~ adotar a dec1ividade do terreno. •• Cálculo das lâminas e velocidades

= 4,45 ~ V = 4,45-fi. = 4,45JO,0455 = 0,98 m/s

) )

Q

Portanto:

)

Y/0=Y!0=0,15

)

Vi= Vr= 0,98 mls

0,0015 )0,0603

-fi.

0,0061

Tabela

4.3 ~

Y/D=0,14

\

V

r; = 4,44

"I

)

) ) )

•• Cálculo da tensão trativa (ai) para Y/D = 0,15 ~ RH= 0,093 x 0,15 = 0,0140 m ai = yRHI= 1000 x 0,0140 x 0,0455 = 0,64 kgf/m' Sendo I kgf/m' ~ ION/m2 = 10Pa, portanto, ai = 6,4Pa

(Tabela 4.4)

.

·1

= 4,44 ~ V tz: 4,44JO,0603 = 1,09 m/s

Portanto Y/D = Y!D = 0,14 Vi=Vr=I,09 mls

•• Cálculo da velocidade crítica (V J •• Cálculo da tensão trativa (ai) Vc=6JgRH

=6J9,8xO,0140=2,22m/s

para Y/D = 0,14 ~ RH= 0,0862xO,15 = 0,0129 m (Tabela4.4) 2

)i

ai=yRHI= IOOOxO,O 129xO,0603=0,78 kgf/m =7,8Pa

Trecho 1-2

•• Cálculo da velocidade critica (VJ

•• Cálculo da vazão: Vazão a montante - Qmi= 0,146 Ris ~ Qmr= 0,297 Ris Vazão no trecho

- Q'i =0,00 164x38=0,062 Ris

v, =6JgRH

=6J9,8xO,0129

=2,13m1s

Trecho 1-5 •• Cálculo da vazão:

- Q,r= 0,00334x38 = 0,127 P./s Vazão a jusante

- Qi = 0,146+0,062 = 0,208 eis

Vazão a montante - Qmi=0,447+4,98=5,427

Ris

- Qr = 0,297+0,127 = 0,424 Ris

- Qmr=0,912+4,98=5,892

Ris

147

• I

)

)

148

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

PROJETO

DE REDES COLETORAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

)

149

, Vazão no trecho

Vazão ajusante

• DecIividade

- Q'i=0,00164x33=0,054

eis

Cálculo da tensão trativa (c.)

- Q'f=0,00334x33=0,1l0

eis

para Y/D=0,26

- Qi=5,427+0,054=:o5,48I

fJs

ai = yRHI= 1000xO,023xO,0548=

- Qf=5,892+0,

eis

II 0=6,002

do terreno:

I = 489,26-487,56 I 33

=

°

Imin= 0,0055

')

()

Tabela 4.4 ----;

RH=O, 161 xO, 15=0,0242

)

m

I)

=6J9,8xO,0242=2,92m1s

'

) 1-7

Qi-O.47= 0,0055

(5,481 )"0.47= 0,0025

)

• Cálculo da vazão:

mim

!=

r) 0,0548

Vazão a montante

- Qmi = 5,786 eis

mim. . • Cálculo das laminas e velocidades Vazão inicial:

.9i. = 0,005481 JO,0548

=

°

Vazão no trecho

0234

'

Vazão a jusante Tabela 4.3 ----;

)

- Q",r= 6,624

Ris

- Q'i = 0,164

Ris

.()

- Q'f = 0,334

eis

,)

')

- Qi = 5,950 Os

)

- Qr = 6,958 eis

)

Y/D=0,26

V-

ir =

ir

)

(

mínima do coletor:

Para que não ocorra degrau de 0, l l m, foi adotada a declividade

,fI

m

I)

para Y ID=O,27

'" =6Jg~,

RH=0,153xO,15=0,023

I ,26kgf/m2= 12,6Pa

crítica (Vc)

Trecho • DecIividade

)

Tabela 4.4 ----;

Cálculo da velocidade

mim

0515

)

== 6,21 ~ Vi

= 6,21,fI = 6,21JO,0548

1

6,21

• Declividade

(

I

= 1,45m1s

= 484,90 - 485,50

I

.Neste trecho terreno sobe.

Vazão final:

do terreno:

100

= -O

0060

) )

mim

'

a cota de jusante

)

, ) é maior do que a de montante,

portanto,

o (

)

I) Qf ,fI

= 0,006002 = O 0256 JO,0548

'

Tabela

4.3 ~

Yf

ID

= 6,32~

Vf = 6,32JO,0548

• Declividade

mínima do coletor:

)

Imin =0,0055 Qi·0,47=0,0055 (5,950)'°,47 =0,0024 mim Vf ,fI

ir

= 0,27

= 1,48 mls

= 6 , 32

Conforme a tabela, se adotada a declividade 1=0,0024 mim e tubulação de mm, na vazão final (Qf) a relação Y ID será maior que, 75%. Portanto, ou se aumenta a declividade ou o diâmetro. Como nos trecho a jusante a dec1ividade é favorável, iremos aumentar a declividade.

) I )

o 150

) ,

) )

I)

j ) )

) )

)

150

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANIT ÁRIO PROJETO

A declividade 1=0,0030 mim adotada não irá ocasionar um aumento significativo na profundidade do coletor. • Cálculo das lâminas e velocidades

)

Vazão inicial:

)

~

)

FI

°

= 0,00595 = 1086 ~0,0030 '.

Tabela 4.3 ---}

)

Vi =936

JI

) )

)

Y/D=0,62

y.

'

~

~ = 9,36~ vI

Vi = 9,36vO,OG30 = Q,51m/s .

j

Vazão final: ) )

Qf = 0,006958 = 01270

JI

.JO,0030

Tabela4.3~

'.

) Vf = 965

)

.JI

'

)

)

~

= 9,65 ~ Vr = 9,65.JO,0030

= 0,53 rnIs

) )

• Cálculo da tensão trativa (o.)

)

para Y/D = 0,62

)

oj=yRHI= IOOOxO,0423 xO,0030=0, l Jkgf/rn'> I,3Pa

J: I

)

/

)i

Tabela 4.4 ~ RH= 0,282 x 0,15 = 0,0423 m

• Cálculo da velocidade crítica (VJ para Y ID=0,70

v; = 6~gRH = 6.J9,8

Tabela 4.4 ~ RH=0,297xO,15=0,04455m x 0,04455

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156

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

PROJETO

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E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO I'ROJETO DE REDES COLETORAS

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)

) I

CAPÍTULO

5

)

) I)

)

INTERCEPTORES

()

DE ESGOTO

(

)

)

(

5.1.

INTRODUÇÃO

)

(

Interceptor é uma canalização que recebe coletores ao longo de seu comprimento, não recebendo ligações prediais diretas e geralmente localizado próximo de cursos de água ou lagos. Os interceptores de pequeno diâmetro são dimensionados como redes coletoras, obedecendo à norma NBR 9649/1986, da ABNT. No entanto, os de grandes dimensões devem ser dimensionados de acordo com a NB 568Projeto de Interceptores de Esgoto Sanitário, de novembro de 1989, da ABNT. Na NB 568/1989, interceptor é definido como a canalização cuja função precípua é receber e transportar o esgoto sanitário coletado, e é caracterizado pela defasagem das contribuições, da qual resulta o amortecimento das vazões máximas.

)

) ) ,

)

, J )

) 5.2.

DETERMINAÇÃO

5.2.1.

(

DAS VAZÕES

) )

Vazões de esgotos

( J Para cada trecho do interceptor devem ser estimadas as vazões inicial e final. • Vazão inicial do trecho n

I ) (

)

,

)

(5.1) onde:

vazão inicial do trecho n; = vazão inicial do trecho de montante; = vazão inicial do coletor afluente ao PV de. montante do trecho n.

) )

Qi,n =

Qi n-I

Qi

a

, )

, )

• Vazão final do trecho n Qf.n = Qf,n-I

+ Qf.a

)

(5.2)

() )

onde: Qr,n = vazão final do trecho n; Qrn'l = vazão final do trecho de montante; = vazão final do coletor afluente ao PV de montante dei trecho n.

Ora

) ') ) (

)

J.j )

)

162

COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

___

) )

)

)

) ) ) )

~

~IN,,-·.'.CrE~·;R.CEPTORES DE ESGOTO 4,0

As populações ou as áreas edificadas contribuintes a considerar na avaliação da vazão final devem ser as do alcance do projeto. Em casos específicos (particularmente quando a vazão inicial é muito pequena para o interceptor), a norma NB 568/1989 da ABNT, admite o lançamento permanente ou temporário de vazões provenientes de cursos de água ou do sistema de drenagem superficial, não incluídas as águas de precipitação pluvial da bacia correspondente. Essa admissão denominada "contribuição de tempo seco", deve ser feita através de dispositivo que evite a entrada de material grosseiro, detritos e areia e não deverá superar 20% da vazão final do trecho ajusante do ponto de admissão. Para o dimensionamento dos interceptores de grande porte deve ser considerado o efeito de amortecimento das vazões de pico que é decorrência de dois fatores:

>2 ~

3,0

)

)

Na prática, entretanto, é levada em consideração apenas a defasagem em marcha, e dependendo do sistema, poderá causar um amortecimento nas vazões de pico, influindo no dimensionamento das estações elevatórias ou estação de tratamento de esgoto. A defasagem pode ser calculada através de dois critérios:

ã:

,\,i' '\,

ur

o W f0-

~

)

) )

) )

)

) ) )

)

<,

a)

Diminuição do coeficiente de pico (K

•

~

2,0

r-,

,

~~

9

U

r--

~

-12...

e-, •

r--- -z,

~

.•.•... .•.•...

,

I"---- ••.••..1'--

I'-.....

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•

1,010

Z

3

4 5 6 8 10'

I---

t-...

<,

I

Z

r--.

- -Z

f-__ f--

3

4 56

8 10'

vAZÃo MÉDIA. fls

I - HAZEN & SAWYER - para São Paulo

=

KI.Kz)

Resultados de pesquisas já realizadas, mostram que, à medida que as áreas de contribuição crescem, os picos de vazão diminuem. A maioria das pesquisas utilizaram para determinar os coeficiente de pico K, equações do tipo K = f (Qm), onde f é a função determinada através de dados observados durante um certo período de tempo, e Qm a vazão média. A figura 5.1 mostra diversos valores e fórmulas para o cálculo do coeficiente de pico K, já utilizados no dimensionamento de coletores tronco e interceptores de grande porte. A curva 10 da figura 5.1 foi obtida através de dados coletados na Região Metropolitana de São Paulo, em 1987, pela SABES?, para ser utilizado nas regiões de vazões predominantemente residencial, comercial e público e tem o seguinte equacionamento:

& HANSEN - para São Paulo

3-

GREELEY

4-

FLORES - K = po.iiI (P = Total de habitantes)

5-

D.A.E. SÃO PAULO - K = 2,25 (Portaria n" GDG/1/60)

6-

5 BABBIT - K = po.,o (P = População em milhares)

7

.

K

=.

15

2,5

+ VQ",

(0'" = vazão média, fls)

7- A. GUERREE

-

8- SURSAN/E.S,

- Plano Diretor Rio de Janeiro 1,049

9-

SABESPIJ 974 _K = 1,2+ Q", + 1,0 (Q", = vazão média, mvs) 17,4485

10- SABESP/I 986 - K = 1,20+ infiltração,

Figura

(

'-t.

ü

o

I

~ :-,'\

o

ffi

I

2- A.S.C.E. - limite superior

- Diminuição do coeficiente de pico; - Composição dos hidrogramas.

)

)

\

o

• amortecimento em marcha, produzido não só pelo balanço de volumes no interior de grandes coletores, como pelas variações do regime de escoamento; • defasagem em marcha resultante das adições sucessivamente defasadas das contribuições dos coletores tronco.

)

)

~

~"

Z

)

-, -,

W

)

163

0".5090 m

para Q, > 751 tls, sendo 11

Q m = vazão

média total, incluindo

fls (exceto médias e grandes indústrias)

5.1- Coeficiente de pico (K) em função da vazão média obtida por diversos autores. Fonte: SABESP (/989).

"""71 )

) )

164

COLETA E TRANSPORTE

Para Qm>75Uls ---t K

DE ESGOTO

=

INTERCEPTaRES

SANITÁRIO

17485 1,20+-'-

Q0.5090 m

b.I)

DE ESGOTO

165

) )

Utilização de modelo matemático

(5.3)

)

onde; Qm= somatória das vazões médias de uso predominantemente residencial, comercial, público, incluídos, também, as vazões de infiltração, em /!Is; • ParaQIl1:::;751e!s---tK=I,80 A figura 5.1 mostra que a curva 10 é quase igual a curva 9, determinada pela SABESP em 1974, através de estudos desenvolvidos pelo Eng. Max Veit, baseados em medições efetuadas em vários interceptores de esgotos. Esses dois estudos, mostram que para vazões menores que um determinado valor, o coeficiente K é constante, e a medida que a vazão aumenta, haverá uma diminuição do coeficiente de pico, devido à defasagem das contribuições. Com referência aos coeficientes de pico aplicáveis às vazões industriais (médias e grandes indústrias), pode ser adotado o valor de 1,IO, mesmo levando em conta que a legislação em vigor, permite o lançamento de efluente na rede coletora de vazões máximas de até uma vez e meia a vazão média. Isto porque, dada a diversidade de tipos é tamanhos das indústrias, bem como, seus horários variáveis de descargas de efluentes, é muito improvável a ocorrência simultânea de descarga máxima permitida para todo o conjunto de indústrias. Cabe salientar que, para cada local, devem ser feitos estudos específicos de modo a se determinar curvas do tipo K = f (Qm), que possam ser utilizadas nos projetos.

Em um modelo matemático já desenvolvido, o hidrograma de descarga de esgotos é representado por uma senóide com a seguinte formulação matemática (SABESP, 1978):

)

) )

(5.4)

)

onde: Q"cch.,=vazão de montante de um trecho, no instante de fase; K, = coeficiente de máxima vazão diária; K2 = coeficiente de máxima vazão horária; ~ = ângulo de fase da senóide (24 horas = 360°); Qm = vazão média de esgotos domésticos, comerciais, do serviços públicos e de pequenas indústrias; Qinf = vazão de infiltração; Q, = vazão proveniente das grandes indústrias; K, = coeficiente de pico para as vazões industriais.

)

) ) )

) )

)

0(//,)

)

/

,) (K, K,O,;o,.)

J

(K,K,O.-o..lsene

(

)

,) )

o.

b) Composição de hidrogramas

)

As vazões de pico podem ser atenuadas pela composição de hidrogramas dos coletores-tronco das bacias contribuintes aos interceptores, considerando as defasagens decorrentes dos tempos de percurso no interceptor e nos próprios coletorestronco. Os hidrogramas podem ser obtidos através dos seguintes métodos:

r-__ ------------

)

~Oi

r---v;,--""----a:,,----- __ ""iõ;,---

"""

~-3-0---60--""")90t--------· O 6

~27_0 18

-:1-;:-O

12

-..,J-K.].,o..!'_ ANGULO DE fASE 3..•. 60 24

INSTANTE"

)

(O )

T" (HORA)

J )

Figura 5.2 - Hidrograma padrão senoidal. (

Utilização de modelo matemático; • Medições diretas; • Composição de hidrogramas singelos. o

,

, ~.

)

Para os/coeficientes de variação das vazões foram adotados os seguintes valores: • coeficiente de máxima vazão. diária: K, = 1,1; • coeficiente de pico para vazão industrial: K, = 1,1; . • coeficiente de máxima vazão horária, K2' variável de acordo com as vazões· médias de cada sub-bacia, conforme apresentado na tabela 5.1.

) ) )

166

COLETA E TRANSPORTE

Tabela 5.1-

)

)

Coeficiente de Máxima Vazão Horária

( eis)

K2

) ) )-

) )

0100 101 500 SOl - 1.000 1.001 - 2.000 2.09) - 10.090 Fome: SABES?

i

I

1,3

(/978)

) ~

b.2)

)

)

1f ~ 1-' J

W ~r!}

Como defasagem para a composição dos hidrogramas foi utilizado o tempo de deslocamento nos coletores-tronco e interceptores, para cada bacia . O modelo apresentado decorreu de pesquisas realizadas no antigo Departamento de Água e Esgoto (DAE) de São Paulo pela empresa norte-americana Hazen & Sawyer e foi utilizado pela SABESP, na falta de valores medidos, para o dimensionamento de interceptores, no início da década de 70.

.J

5.3.

~

1,7 1,6 1,5 1,4

DE ESGOTO

167

6 e/s.km de coletor contribuinte ao trecho em estudo. O valor adotado deve ser justificado.

Variação do K, em função da vazão média da baeia de esgotamento.

Vazão Média da Bacia

)

INTERCEPTORES

DE ESGOTO SANITÁRIO

DIMENSIONAMENTO

HIDRÁULICO

O regime de escoamento no interceptor é gradualmente variado e não uniforme, entretanto, para o seu dimensionamento hidráulico, geralmente se considera regime permanente e uniforme. Nas transições e nos pontos de chegada de coletores, há necessidade de se verificar o remanso hidráulico e suas conseqüências, no dimensionamento dos interceptores. , Cadatr~~hodo interceptor deve ser dimensionado para escoar as vazões previstas no projeto. Para a vazão inicial, deve-se garantir uma tensão trativa média, não inferior a 1,5 Pa (0,15 kgf/rn"), para se ter autolimpeza do interceptor. A declividade que satisfaz esta condição para o coeficiente de Manning 11 = 0,013 é dada pela expressão aproximada: Imin=0,00035

·()A7

Qi

(5.5)

onde: Imin = declividade mínima do interceptor, em mim; 3 Qi = vazão inicial, em m /s. .

Medições diretas

)

)

Os hidrogramas podem ser obtidos através de medições diretas nos pontos de afluência dos coletores tronco ao interceptor. A extrapolação desse hidrograma para uma outra bacia, deve ser feita, tomando-se o cuidado de verificar se essa outra bacia tem as mesmas características da bacia em que o hidrograma foi estabelecido.

)1

b.3)

) )

Composição

de hidrogramas

singelos

); ) } ) }

Caso não seja possível efetuar medições diretas, os hidrogramas, também poderão ser definidos a partir da composição de hidrogramas singelos, conforme metodologia apresentada no Anexo I da antiga norma da ABNT, a PNB 568/1975, onde se encontram maiores detalhes. 5.2.2.

Contribuição

pluvial parasitária

) ) :, )

) )

) ) f

Segundo a norma NB 568/1989 da ABNT, a contribuição pluvial parasitária deve ser adicionada à vazão final para a análise de funcionamento do interceptor e para o dimensionamento dos extravasores. Todavia, para o dimensionamento em si, do interceptor, a vazão parasitária não é levada em consideração. A contribuição pluvial parasitária deve ser determinada com base em medições locais. Inexistindo tais medições pode-ser adotar uma taxa que não deve superar

, ~ ~l$

"'-

~~,. ~

$

A utilização da tensão trativa média de 1,5 Pa, superior à da rede coletora (igual a 1,0 Pa), justifica-se pelo fato de que, essa tensão além de atender as condições da autolirnpeza, irá diminuir a formação da película de limo nas paredes d.a~tubulações e, consequentemente, a geração de sul fetos. Como os matenais dos interceptores são geralmente de concreto que são atacados pelo ácido sulfúrico, é de fundamental importância que os interceptores sejam projetados com tensão trativa igualou maior que 1,5 Pa, para prevenir a formação de sul fetos. Todavia, a declividade mínima para adequada implantação da obra é limitada a 0,0005 mim. Utilizando-se da mesma metodologia apresentada no item 4.4. do capítulo 4, o eng. Francisco Martins Fadiga Jr, obteve diferentes equações para a tensão trativa mínima de 1,5 Pa. A tabela 5.2 apresenta as equações de declividades mínimas obtidas para 11 de Mannning variando de 0,009 a 0,016, com base em ajuste obtido para diâmetros variando de 400 111ma 2000 111me lâmina de água limitada a 0,75 de Y/D. A máxima declividade admissível é aquela para a qual se tenha velocidade de 5 mls para o final do plano. A declividade máxima pode ser obtida pela seguinte expressão aproximada (para fi = 0,013):

ri , )

I

)

168

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

INTERCEPTORES

DE ESGOTO

)

169

) Tabela 5.2 - Equações obtidas para a a declividade

Coeficiente de Manning 0,009 0,010 0,011 0,012 0,013 0,014 0,015 0,016 (*) Q em

Imax

de modo a garantir 0::>:1,5Pa.

5.5.

Dec1ividade mínima (mim) 1=0,00041 Q,O,4R 1=0,00039 Q'O.48 1=0,00037 Q,0,48 1=0,00036 Q,0,48 1=0,00035 Q'O.47 1=0,00033 Q,0.47 1=0,00032 Q'O.47 1=0,00031 Q,0,47

4,65Qr

-2/3

,Qr

01

em ~ s

(5.6)

Quando a velocidade final V ré superior a velocidade crítica (Vc) a lâmina máxima:admissível deve ser de 50% do diâmetro do tubo, assegurando-se a ventilação do trecho. A velocidade crítica é definida por:

(5.7) onde: g = aceleração da gravidade, m/S2; RH= raio hidráulico, em m; Vc = velocidade crítica, em m/s.

ESPECÍFICAS

A SEREM ATENDIDAS EM PROJETO

• Os efeitos de agitação excessiva devem ser sempre evitados, não sendo permitidos degraus e alargamentos bruscos. Quando necessário devem ser projetados dispositivos especiais de dissipação de energia e estudadas a formação de sul fetos, suas conseqüências e medidas de proteção do conduto e utilização de materiais resistentes à sua ação. • As ligações ao interceptor devem ser sempre através de dispositivos especialmente projetado para evitar conflito de linhas de fluxo e diferença de cotas que resulte agitação excessiva. • A distância máxima entre poços de visita deve ser limitada pelo alcance dos meios de desobstrução a serem utilizados. • Ao longo do interceptor devem ser dispostos extravasores com capacidade conjunta que permita o escoamento da vazão final relativa ao último trecho. Nos extravasores devem ser previsto dispositivos para evitar o refluxo de água do corpo receptor para o interceptor. • Devem ser estudados meios capazes de minimizar e mesmo eliminar a contribuição pluvial parasitária. As instalações finais devem ser dimensionadas para a capacidade total do sistema, acrescida da contribuição pluvial parasitária total ou parcial, conforme indicar o estudo de extravasão.

111'/S

=

CONDIÇÕES

5.6.

DIMENSIONAMENTO -EXEMPLO

DE UM INTERCEPTOR

) ) ) ) I) I) )

) )

,

) ) )

(

)

(

)

DE ESGOTOS

) (

Projetar os trechos 1-15 e 1-16 de um interceptor de esgotos, conforme planta, com os seguintes dados:

) f

A lâmina de água nas tubulações dos interceptores tem sido limitada a 85% do diâmetro da tubulação, para a vazão máxima final. Após o dimensionamento dos trechos, deve-se proceder a verificação do comportamento hidráulico do interceptor e de seus órgãos complementares para as condições de vazão final acrescida da vazão de contribuição pluvial parasitária, bem como do remanso, pois dificilmente ocorre situações onde o regime é permanentee uniforme, com a superficie d'água paralela ao fundo datubulação. 5.4.

• cota do fundo do PV a montante do trecho 1-15: 597,30 m • contribuições ao interceptor.

do interceptor deve ser constituído por trechos retos em planta e em perfil. Em casos especiais podem ser empregados trechos curvos em planta. O ângulo máximo de deflexão em planta entre trechos adjacentes, deve ser de 30°. Ângulos maiores devem ser justificados técnica e economicamente.

) I )

Contribuições Vazão média doméstica Inicial (Os) 310 75 113

1-14 CT-I' CT-2'

TRAÇADO DO INTERCEPTOR

o traçado

)

'CT

= coletor

Vazão média doméstica final (f.ls) 525 118 189

Extensão da rede Extensão da rede

)

inicial(m)

final (m)

)

56364 13636 20545

68182 15325 24545

) r )

)

tronco

) • Para determinar o coeficiente de pico (K = K1.K2) será utilizado a seguinte expressão:

) (

)

j )

)

170

COLETA

E TRANSPORTE

INTERCEPTORES

DE ESGOTO SANITÁRIO

DE ESGOTO

171

)

ComoQi~751 eis ~ K=l,80

)

.

,

_?

- para Q > 751 Us ~ K -1,_0+

)

17,4485 -05090

Qm'

A vazão inicial será de:

- para Q~751t!s~K=I,80

)

180 Qi = -'-x385+ 1,20

7 = 5851!.Is

• Taxa de infiltração: 0, I eJs.km ) )

o

Sem considerar a contribuição pluvial parasitária

Taxa de contribuição pluvial parasitária: 3 tlS.km

.;

-

'">o

>u

U

) )

59900

J

r

100m I -16 100 J--+~;..........----t'-t---=m

)

)

• Cálculo da vazão final

o

Para determinar a vazão final é necessário calcular o coeficiente de pico (K), que é função da vazão média (Q). Pela fórmula, na vazão média, deverá ser incluída a vazão de infiltração.

I - 15

CASCAVEL

Qf

=

IQ".f + Qinf = (525 + 118) + 0,0001 x 83,507

Qf

= 643 + 8 = 651 eis

). A vazão final será de: )

Figura 5.3 - Planta com os dados topográficos para o dimcnsionarncnto

do inicrccptor.

Qf

= 1,80x643+8 = I I esu«

) )

SOLUÇÃO:

)

a) Trecho I - 15

Considerando a contribuiçào pluvial parasitária A contribuição será de: Qp = 3 x 83,51 = 251 f/s

)

• Cálculo da vazão inicial )

A vazão inicial será determinada através da seguinte expressão:

-f

~ .~

~i

j i )

Qf = 1165+ 251 = 1416 eis • Cálculo da declividade mínima

)

)

Portanto, a vazão final será de:

onde.Q, K

= vazão inicialr/s: = coeficiente de pico, conforme expressão recomendada; KJ = coeficiente de máxima vazão diária=l ,20; Q dj = contribuição média inicial de esgoto doméstico, fls Qinr= contribuição de infiltração, I!ls; Q d.i = (310 + 75) = 385 f.ls; Qi = Qd.i + Qinf = 385 + 0,000 1x 70.000 = 392l!ls

I min

=

0,00035Qi -0,47 = 0,00035(0,585)-0.47 = 0,00045 rrilm

Como a declividade de 0,00045 mim é muito pequena para a construção do trecho, será adotada uma declividade maior, que permitirá o assentamento adequado da tubulação. Portanto, a declividade a ser adotada será de: 1= 0,00070 mim

li ) )

172

COLETA

E TRANSPORTE

INTERCEPTORES

DE ESGOTO SJ\NIT ÁRIO

DE ESGOTO

173

) )

• Cálculo do diâmetro Qf=

fi.

1,165 =4403 . JO,0007 '

Qf = labela4.3)
fi.

1,416 ~0,00070

= 5352 '

labela4.3)Y I D = 0,65

)

f

) .(

b) Trecho 1-16

)

• Cálculo das lâminas e velocidades • Cálculo da vazão inicial - Para a vazão inicial 0,585 = 2211 JO,00070 '

)

) I)

l"bela4.3 ) Y, 10 = 0,40

)

Qd.i ==(310+75+113)=498t'/s

I)

Vi=I,llm/s

)

Q i = Q d.i + Q inf ==498 + 0,000 I x 90,545 = 507 Ris - Para a vazão final

Como

labcla4.3 )Yr/D=0,58 Vf == 1,11 m/s • Cálculo de tensão trativa (cri) - Para Y;lD=0,40 ~ RHi=0,322S m (tabela 4.4)

)

ct :5,75Uls -7 K=I,80

)

A vazão inicial será de: Q.= 1,80 x498+9 I

1,20

.:

)

)

==756 fls

) , )

• Cálculo da vazão final

J Sem considerar a contribuição pluvial parasitária

()

cri = yRH;l = 1000 x 0,3225 x 0,00070 = 0,226 kgflm~
) Qf =LQdf +Qinf =(525+118+189)+0,000Ix108,052

)

Qf = 843 RIs

)

• Cálculo da velocidade crítica (Vc) - Para Y 10=0,58 -,--> RHf=0,4092 m (tabela 4.4) Vc = 6J gRHf = 6J9,81 x 0,4092 = 12,02 m/s

)

Cálculo do coeficiente de pico (K): K=I,20+

17,4485 05090

(843) ,

r ) =1,766

. ) )

• Análise do funcionamento da tubulação, considerando a contribuição pluvial parasitária Será verificado se com a contribuição pluvial parasitária o interceptor funcionará como conduto livre. Para isso é necessário o cálculo da lâmina.

A vazão final será de:

(

)

,

)

Qf = 1,766x832 + 11 = 1480 fls

)

) )

()

) )

)

174

COLETA E TRANSPORTE 6E ESGOTO SANITÁRIO

INTERCEPTORES DE ESGOTO

175

) ) )

Considerando a contribuição pluvial parasitária

• Cálculo da velocidade crítica (Vc)

Qp = 3x108,05 = 324 RIs

Para Y ID=0,48

)

Qf = 1480+ 324 = 1804 Ris

v, =6JgRHf

) c

)

Imin - 0,00035Qi

_

..

-0,47'-.

- 0,00035(0,756)

- 0,00040 mim

Qf _ Será adotada uma declividade maior pois a cota do PV de jusante do trecho 116 deverá ser mais baixa, devido à topografia. Para se ter um recobrimento adequado da tubulação será adotada a declividade de I = 0,0020 mim.

FI -

) c

=6.)9,81xO,3654

(tabela 4.4) = 11,36m/s

• Análise do funcionamento da tubulação considerando a contribuição pluvial parasitária

-0,47 _

)

J

RHf=0,3654m

Cálculo da declividade mínima

)

)

--7

1,804 .)0,0020

tabe!a4.3

599,60 597,03

Cálculo do diâmetro

)

Y, / D = 0,55

600,50 597,23

257 '

3,27

)

)

Qf =

fi

1,480 = 33 09 .)0,0020 '

tabe!a4.3)

4> 1500 mm

%,67 0,0020

ti

1 !I00 100

60000 597,30

3,27

r-

16 100

) ) ) ) )

1_ I.•

• Cálculo das lâminas e velocidades

~

.9i.. = FI

0,756 = 16 90 .),0020 '

tabe!a4.3

) Yi ID =0,33 Vi = 1,45 mls

)

- Para a vazão final ~

=33,09

tabe!a4.3

) Y;lD = 0,48

)

v,

)

= 1,76 mls

)

)

• Cálculo de tensão trativa (cri)

), Para Y/D=0,33 )

) )

)

__ • _CO_'_R_RE_G_O

C_A_S_C_AV_E_l

- Para a vazão inicial

)

J

I-IO

--7

RHi=0,2772m

(tabela 4.4)

cri = yRHil = 1000xO,2772 xO,0020 = 0,554 kgf/m2 = 5,54Pa

Figura 5.4 - Solução do exercício de dimensionamento

do interceptor.

~

2,70

(j ) ,

176

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

INTERCEPTORES

DE ESGOTO

177

)

í ) )

5.7.

I

I,

~-'-t~~-------_.-

_.--- --~illl---

I i ~~~-4--+-~-+--~~-r~-~--~-+--~ i~~~~

so

~8~~~ ~ l~uQ.~

s

o

I

H

~~

>I ê[

~

3 ~ so

I

;:::

I

N

"'l

co

N

(iI;

N

lÔ

REMANSOEMINTERCEPTORES

)

EngO Winston Hisasi Kanashiro

)

(MSc, Dr)*

)

5.7.1.

Introdução

) )

São denominados remanso, os perfis de linha d'água que se desenvolvem ao longo de canais ou rios e que, apesar do regime ser permanente, isto é, a vazão não sofrer mudanças no tempo, as outras variáveis, a velocidade e a profundidade apresentam variação de seção para seção. Os remansos ocorrem em canais quando por qualquer motivo, o regime de escoamento sofre mudanças de seu estado normal, através de singularidades ou existência de órgãos de controle ou reservatórios e mesmo através de mudanças nas características do canal. Serão apresentados os princípios básicos que governam o remanso, através de equações básicas, tipos de curvas de remanso e o Método de Runge-Kutter para a sua integração. 5.7.2.

)

) ) ) )

I) r )

) Equacionamento

básico )

,

I

!

O equacionamento é feito através do estudo de variação de carga entre duas seções, conforme esquematizado na figura 5.5.

') ,"

II

) )

2

I

) a,V~

')

2g 2g

Superfície de água

2g

\

)

)

v.

y

11:: IJ:::

11::: 1(::

11:: 11::: 11::

v,

( )

J

tt

11:::11::11::11::11::11::

z, -- t-----------

Z

Z,

)

Plano horizontal de referência

----------t-----

) )

Figura

5.5 - Esquema do equacionamento.

(

)

) (*) Consultor em sistemas hidráulicos. )

()

') ) ).

178

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

INTERCEPTaRES

DE ESGOTO

179

) )

A carga total numa seção genérica de um canal é dada por figura 5.5

-I = declividade do canal;

dx

) )

dz

V2

H=Z+y+a-

dA dy = T = largura da superficie livre.

(5.8)

2g

) ) )

)

) )

Sendo: H = carga total na seção, m; Z = cota dofundo do canal em relação a um plano horizontal de referência,m; y = profundidade da lâmina d' água na seção, m; a = coeficiente de energia cinética ou de Coriolis na seção; V = Velocidade média na seção, m/s; g = aceleração da gravidade, m/S2.

A expressão:

A variação de carga H de uma seção para outra é dada por:

F = 2gA

)

)

)

e substituindo na equação (2.5):

2

(5.9)

). )

T dY[I_ Q2 ] dx 2gA3

-J=-I+

Q2T 3

(5.l3)

é o número de Fraude elevado ao quadrado.

Fazendo esta substituição em (5.13) e rearranjando-se os termos, resulta: dy I-J dx - I-F2

(5.14)

Introduzindo a equação da continuidade: ) ) )

Q=Y.A Onde:

)

(5.10)

Q = C.A.(RH.Jy/2

Q = vazão ,m3/s;

A = área da seção transversal, m2.

dH

ct;Z

dZ dy d [ Q2 ] dy = dx + dx + a dy 2gA2 dx

(5.11)

)

)

. dH = dZ + dY(I_~ dA] dx dx dx l 2gA3 dy

) )

.J )

(5.12)

c=ff

Fórmula Universal; R

C=8Jg ( :

) )

onde: RH = raio hidráulico da seção; C = coeficiente de Chézy. C pode ser calculado por:

ou; ) )

Fazendo:

dH dx

,ou

Q2 J=-~2 2 C A RH

em (2.2) e supondo a = constante: )

A declividade da linha de energia pode ser estimada pela equação de Chézy no trecho:

-J = declividade da linha de energia;

)116

Fórmula CTH (desenvolvida pelo prof. Podalyro A. de Souza);

'-I ) )

180

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

INTERCEPTORES

DE ESGOTO

)

181

)

R 1/6 C=----.!::L

I'

)

Fómula de Manning.

n

) () (

Nessas expressões, os símbolos significam:

) f= fator de atrito da fórmula universal da perda de carga; K = rugosidade absoluta do canal (m); n = coeficiente de Manning.

) )

) Na equação (5.14), se I = J, :~ = 0, ou seja, tem-se regime permanente.

5.7.3.

Tipos de curva de remanso

Os tipos de Curva de remanso dependem da declividade do canal e da sua seção e estão relacionados com o tipo de regime de escoamento. Se a dec1ividade for positiva, o canal pode ter dec1ividade supercrítica ou torrencial e subcrítica ou fluvial, respectivamente. Para o canal com declividade baixa (subcrítica), existem três tipos de curva de remanso, FI, F2 e F3, mostradas na figura 5.6. Nas figuras a seguir, Yn significa profundidade normal, Y; profundidade crítica, I a dec1ividade e I, a dec1ividade crítica. F, --.....;..----

~u

v;

Figura

5.7 - Tipos de curva de remanso em um canal de alta declividade.

As curvas de remanso descritas podem ocorrer, por exemplo, nos seguintes casos: A curva tipo RI ocorre quando um canal com declividade fraca entra num reservatório; a curva do tipo R2, quando o canal de baixa declividade desemboca em um canal com declividade supercrítica e a curva R3, quando uma adufa descarrega num canal de baixa declividade ou então, na mudança de declividade de um canal supercrítico para subcrítico. A curva tipo R2 pode ocorrer na saída de um reservatório para um canal rápido e a curva R3, na descarga de uma adufa num canal de declividade supercrítica, mas cuja velocidade normal seja menor que a velocidade do jato de saída da adufa. Os outros tipos de canais são os canais horizontais e os de declividade adversa e, por serem de pouca importância, não serão discutidos neste item. . Maiores detalhes sobre os tipos de curvas de remanso podem ser obtidos em Chow (1959), Henderson (1965) e French (1987).

\

)

(

) )

I

)

) /

) )

,) !)

)

) ) I)

5.7.4.

Figura 5.6 - Tipos de curva de remanso que ocorrem em um canal com declividade baixa (fluvial)

O outro tipo de canal com dec1ividade positiva é o canal cuja declividade é alta, ou seja, a sua profundidade normal é menor que a profundidade crítica, as curvas de remanso possíveis são apresentadas na figura 5.7 (curvas tipo RI, R2 e R3). Existe ainda um terceiro tipo de canal com dec1ividade positiva, que é o canal com dec1ividade crítica. Este tipo de canal deve ser evitado por ser instável, com ondulações consideráveis na superficie que podem ser desencadeadas por qualquer irregularidade no fundo do canal.

Determinação

da curva de remanso.

Basicamente, a sua determinação poderá ser feita obedecendo-se ordem:

I

)

a seguinte

a) Estabelecimento dos dados importantes: rugosidade do canal, seção, vazão, declividade do fundo etc; b) Determinação da profundidade normal pela equação Chézy; c) Determinação da profundidade crítica, fazendo o número de Froude (equação 5.13) igual a unidade; d) Determinação do perfil da linha d' água; e) Classificação do tipo de curva.

)

J ) I) )

,) ) ) /

)

I ) )

182

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

INTERCEPTORES

DE ESGOTO

183

) )

Será apresentada neste texto a determinação da curva de remanso em condutos circulares, por serem de maior interesse em projetos de condutos de esgoto sanitário.

]i

5.704.1. Determinação das característica geométricas da seção: a) área:

)'

G(S) = 8~

K

A(8).RH (8)2/3 .

.JI - Q = O

(5.17)

Determina-se 8 através do método de Newton-Raphson:

2

)

A )

) }

)

D = -(e-sene) 8

-. .

G(8) 8ni+I = 8ni - dG(S)

b) Perímetro molhado: p=(D/2)8

d(8)

c) Raio hidráulico:

Sendo: 8ni = valor de S obtida na i-ésima iteração; 8ni+1= valor de 8 obtida na (i+ 1)-ésima iteração.

)

RH = ~(1-

)

se~8) A solução é obtida fazendo-se a iteração (5.18) até que a diferença entre os valores de ISni+1- 8ni I < Tolerância. A partir do valor obtido de 8, determinam-se os parâmetros da seção.

) )

11+-.--

D

(5.18) e=eni

-----:-+.1

)

A profundidade normal é dada por:

} y n = D (1- cos(8») 2

Jj,

(5.19)

I

);

), 5.7.4.3.

). )

Figura

Determinação

da profundidade

crítica

É determinada impondo-se o número de Froude igual à unidade, ou:

5.8 - Elementos da seção circular.

)

(5.20) 5.7.4.2.

Determinação

da profundidade

normal

) )

A profundidade normal é calculada pela equação deChézy (equação 5.15):

)

Q=C.A.(RH.i)"2

).

(5.15)

Também neste caso, esta equação poderá ser resolvida pelo método de NewtonRaphson, fazendo:

Q2T

Gc(S)=---1 2gA3

Adotando-se a fórmula CTH para o coeficiente C:

=0

) )

J )

)

através da iteração indicada na equação (5.18). (5.16)

(5.21)

) ) )

184

COLETA

5.7.4.4.

E TRANSPORTE

Determinação

DE ESGOTO

INTERCEPTORES

SANITÁRIO

das profundidades

DE ESGOTO

185

)

\

)

Os sub-índices 1 e 2 referem-se às seções 1 e 2 indicados na figura a seguir:

nas seções

,

As profundidades nas seções poderão ser determinadas pelo método de RungeKutta, que faz a integração numérica da equação diferencial de remanso (equação 5.14). Para canais circulares, é mais conveniente reescrever a equação 5.14 em termosde8:

••

2-

~

f)

-3

:

j'----------/,:; /"

I

Figura

)

a b

)

)

1

dyd8 I-J d8dx = 1-F2

)

5.9 - Esquema para determinação

,)

de perdas localizadas.

) I-J

d8 dx

(5.22)

o método tipo :~

=

de Runge-Kutta permite resolver numericamente urna equação do

f(O) baseando-se na em série de Taylor, para uma dada condição inicial e

CL é um coeficiente que, para entradas não muito bruscas, vale em tomo de 0,2. Para junções bruscas, os valores são maiores. Recomenda-se, portanto, que as junções sejam feitas de modo mais suave possíveis, evitando-se cantos vivos, contra fluxos ou junções a 90 graus. Os valores de CL podem ser encontrados em Yen (1986). A linha d'água desenvolve-se a partir de uma singularidade para montante, acrescentando-se a perda de carga t.h, conforme a figura 5.10.

) ) )

) ) )

de fronteira. Maiores detalhes poderão ser obtidos em Humes (1984). O método de Runge-Kutta de 4" ordem fomece, para cada seção i:

j Planta

')

(5.23)

()

I

f

Q, --..

\

onde: ai = - t.x.f(8) a2 = - t.x.f(8+0,5al) a2 = - t.x.f(8+0,5a2) a2 = - t.x.f(8+a3) t.x = comprimento de cada trecho.

I

)

(

) I

Linha de energia

5.7.4.5.

Determinação

V2 2g

(5.24)

f

Q, -

)

, )

de perdas localizadas

Pode-se, via de regra, adotar a metodologia usada nos condutos forçados, ou seja: t.h=CL-

)

I

y,

'V

~Llz

-

--..

Llh Q3

)

Lly

I

, )

v,

(I

) )

Figura

5.10 - Esquema do estudo de remanso em um PV, devido a perdas de carga singulares.

.)

Para junções, Chow (1959) recomenda a seguinte expressão:

(5.25)

O cálculo do remanso poderá ser feito, tanto no coletor 1 como no coletor 2, tomando-se como profundidade inicial a profundidade na seção 3 acrescida de perda de carga t.h na sua energia total.

(

) ) )

I)

•

)

)

)

186

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

INTERCEPTORES

SANITÁRIO

DE ESGOTO

187

) )

)

5.8.

MATERIAIS UTILIZADOS

EM INTERCEPTaRES

Nas figuras 5.11 e 5.12 são apresentados os esquemas de poços de visita utilizados em interceptores de esgoto.

Os principais materiais utilizados em interceptores de esgoto são: TAMPÃO

,)

• tubos de concreto - utilizados para diâmetros igualou maior que 400 mm; o tubos de ferro fundido - usados em linhas de recalque e travessias; " tubos de aço - usados em linhas recalque e travessias.

•

.I

) ) ) )

CHAMINÉ

No capítulo 4 item 4.8, foram apresentadas as principais características desses materiais. Para os tubos de concreto recomendam-se as seguintes condições específicas:

)

• tipos de cimento - cimento Portland Pozolânico; - cimento Portland resistente ao ácido sulfúrico - cimento Portland de Alto Fomo.

)

) )

CORTE

B-B

• dosagem de concreto - consumo mínimo de cimento - 350 kg/rn"; - relação água/cimento máxima- 0,50 etkg

)

) í

)

• recobrimento em contato com o meio agressivo - 4 em

) B

-t

• resistência característica da compressão do concreto - fck=25,0 MPa

)

)i

): )

)

5.9.

POÇOS DE VISITA

Nos interruptores de esgoto sempre são utilizados os poços de visita (PV). A distância recomendada entre os PV s são:

\

.I

)

)

• para diâmetros acima de I 200 mm: 200 m; • para diâmetros de 400 a 1 200 mm: 120 a 150 m, dependendo das condições hidráulicas do coletor; • para diâmetros menores que400 mm - 100 m.

Figura 5.11 - Poço de visita na reunião de duas tubulações.

Quanto ao diâmetro dos tall1Pões dos poços de visita recomenda-se:

5.10.

• para tubulação igualou menor que 600 mm - tampões de 600 mm de ferro fundido; • para tubulações maiores que 600 mm - tampões de 900 mm de ferro fundido.

Para as tubulações de esgoto com diâmetros maiores que 400 mm, onde geralmente são utilizados os tubos de concreto, às vezes, torna-se necessário a dissipação de energia nos casos relacionados a seguir:

PLANTA

) )

) )

) ) )

DISSIPADORES

E ENERGIA

1 ) )

188

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

INTERCEPTaRES

SANIT ÁR[O

DE ESGOTO

189 )

TMlPI.O

)

.)

~.

I

CHAMINÉ

-,

I'

) .;

'

"~

DE VISITA

_

)

"-----1:1

)

) ) ) \

ENCHIMENTO COM CONCRETO SIMPlES

CORTE A-A

) Figura 5.[3 - Diminuição de declividadc dos coletores através de poços de visita com tubos de queda.

) A

A

-t

t

I

I

I

)

A figura 5.14 apresenta uma alternativa para a eliminação dos poços de visita com tubos de queda, visto na figura 5.13. Neste caso, deve-se projetar o coletor com degraus, de modo que a energia seja dissipada e a velocidade de escoamento fique abaixo dos valores máximos recomendados.

)

)

*

)

)

i PLANTA Figura 5.12 - Poço de visita na mudança de direção da tubulação

I

II i~

• quando houver um desnível razoável entre o coletor de montante e o de jusante; • quando o coletar recebe contribuições de outros coletores em cota superior; • quando a declividade do terreno for maior que a máxima recomendada para se limitar a velocidade a 5 m/s. 5.10.1

Alternativas

adotadas para a dissipação de energia

Para os casos em que a declividade da tubulação é maior que a máxima recomendada, portanto, a velocidade é maior que 5,0 m/s, pode ser utilizada a alternativa da figura 5.13. A declividade é diminuída projetando-se vários poços de visita com tubos de queda. Essa alternativa é muito utilizada em redes coletoras.

)

)

I

) )

) Figura

5.14 - Coletor de esgoto com degraus

) )

N a figura 5.15 é apresentado esquema de um poço de visita com degraus para dissipação de energia. Essa alternativa foi muito utilizada no início da década de 80. Esse tipo de dissipador é um dos mais simples de ser executado e operado com êxito. Entretanto, como os degraus ocupam um grande espaço no PV, geralmente seu custo de execução é bastante caro.

) )

) ) I

)

") ) )

190

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

INTERCEPTORES

DE ESGOTO

191

) Na figura 5.17 apresenta um dissipador de energia que se utiliza de um colchão de água para amortecer a queda d 'água do coletor afluente. Atualmente, a SABESP tem utilizado esse tipo de dissipadornas interligações dos coletores tronco afluentes aos interceptores da Região Metropolitana de São Paulo.

) ) BAlÁD

) )

o

) ) )

) ) ) BALÃO ENCHIMENTO

)

DE CONCRETO

Figura 5.15 - Poço de visita com degraus para dissipação de energia,

) A figura 5.16 apresenta uma alternativa para a diminuição do PVem relação ao apresentado na figura 5.15. Neste caso, foi projetado um anteparo para diminuir o jato inicial, possibilitando uma diminuição nas dimensões e custo de execução do FV,

) )

,ENCHIMENTO

COM CONCRETO SIMPLES

I

CORTE A-A A--4t

) I

)

,

) ,

PARAlElEP/PEDOS ASSENTADOS E REJUNTAOOS COM CONCRETO SIMPlES

)

) ,

)

) ) ENCHIMENTO DE CONCRETO

); Figura )

)

5.16 - Poço de visita com anteparo e degraus para dissipação

de energia.

Figura 5.17 - Poço de visita com dissipação de energia através de um colchão de água.

192

COLETA

E TRANSPORTE

LJE ESGOTO

INTERCEPTaRES

SANITÁRIO

INTERLIGAÇÃO DE COLETORES DE ESGOTO SITUADOS EM COTAS DISTINTAS

5.11.

DE ESGOTO

f 93

o arranjo representado pelo poço de visita com queda externa apresenta as seguintes vantagens: )

Eng" Podalyro Amaral de Souza (MSc, Dr)*

Para grandes coletores de esgoto, nas situações em que há um desnível razoável entre o coletor de montante e o de jusante, e nos casos que, um coletor recebe outros coletores em cota superior, propõem-se a continuidade do escoamento utilizando-se o poço de visita com queda externa, semelhante ao poço de visita com tubos de queda utilizado em rede coletora. A figura 5.18 apresenta o esquema básico de um poço de visita com queda externa.

• •

tem concepção geométrica simples; propicia inspeções sem interferência com respingos, geralmente associados a impactos de jatos; .

•

não apresenta degraus, soleiras e defletores que possam acumular detritos.

Para ilustrar esta solução do poço de visita com queda externa, trata-se a seguir do dimensionamento hidráulico da interligação de um coletor de esgoto com 0,50 m de diâmetro com um interceptor com 1,50 m de diâmetro, localizado 5 m mais abaixo. Do coletor são conhecidos os seguintes dados: • • • •

TAMPÃO

Diâmetro Rugosidade Profundidade relativa Declividade

: D = 0,50 m : K = 0,0025111 : Y/D = 0,75 :I= 0,003 mim

)

)

)

)

) )

CHAMINê

ACESSO

PARA LIMPEZA

Dointerceptor são conhecidas as seguintes informações: • • • •

BALÃO

Diâmetro : D = 1,50 m Rugosidade : K = 0,0025 m Declividade : I = 0,0009 mim Profundidade relativa após receber o aporte de vazão: Y ID = 0,78

) )

)

) CURVA:

D

=

RB

1

Solução • Geometria da seção transversal genérica ) )

CURVA:

)

o=1 R4

) )

Figura 5.18 - Poço de visita com queda externa.

) ) (*) Professor Doutor do Departamento Universidade de São Paulo

de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Figura

5.19 - Seção circular

)

) )

• 194

COLETA

E TRANSPORTE

INTERCEPTaRES

DE ESGOTO SANITÁRIO

• Profundidade:

)

2Y

cos~=l--

(5.36)

P=13D Obs: O ângulo ~ deve ser expresso em radianos.

(5.37)

)

• Área molhada: )

A =

~2

195

Usam-se as expressões da área molhada A e do raio hidráulico RH, fornecidas respectivamente pelas equações (5.38) e (5.39), para transformar a equação (5.41) em:

D

• Perímetro molhado: )

DE ssooro

[() _

se~ 2() ]

(5.38)

)

• Raio hidráulico:

133/5 1_sen213 [ 2~

]

~_4_ D8/5

~

1/6)3/5

8jgI

[

(5.42)

Na realidade a equação (5.42) será útil para a determinação da profundidade uniforme a montante do poço de visita, onde todas as grandezas presentes no segundo membro serão então reconhecidas. As condições hidráulicas de regime permanente e uniforme no intercepto r, a jusante do poço de visita, são calculadas conhecendo-se Y/D = 0.78; D=1 ,50 m; K=0,0025 m; e i=0,0009m/m, obtendo-se então de acordo com a figura 5.20, os seguintes valores:

(5.39)

~ Vazão

)

,

)

1/6

Q

)

=

Ji( R~I) A,JR;;i

8

Com Y/D = 0,75; D = 0,50; K = 0,0025m e I = 0,003 mIm, foram calculados as seguintes grandezas relativas ao coletor:

)

Y = 0,375 m ~ = 2,094 rad = (120,000°) P=1,047m 2 A= 0,158 m RH=0,151 m 3 Q = 0,167 m /s

)

) )

)

)

)

)

1/6

AR

)

H

) ;

)

2/3 =

QK

8jgI

Pode-se agora calcular a vazão a montante do intercepto r, que é dada por:

Ql=I,785-0,167

Para se calcular a vazão total que estará escoando pelo interceptor, a jusante 3 deste poço de visita, após receber o aporte de 0,167 m /s procede-se a lei de vazão, equação (5.40), na forma:

)

)i

(5.40)

Y2=1,170 m 132=2,165 rad ~ 124,056° P2= 3,248m 2 Az= 1,479m RH2= 0,455m 3 Q2= 1,785m /s

(5.41)

3

= 1,618m is

Esta vazão Ql= I,618m3/s se escoasse em regime uniforme o faria com uma profundidade uniforme, que pode ser determinada pela equação (7). Com D = 1,50m; Q = 1,618m3/s; K = 0,00025; g = 9,8 I m/s2 e I = 0,0009 mim o segundo membro da equação (5.4 2) é, numericàmente, 1,819, obtendo-se assim a equação (5.43).

~3/5[

1- se;;13

J = 1,819

(5.43)

j )

196

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

INTERCEPTORES

que por tentativas obtém-se a solução ~=2,0 19 rad. Este ângulo, para D = 1,5 m, fornece a profundidade uniforme do poço como sendo Y J,u= 1,07 5m. Esta profundidade, por ser para escoamento permanente e uniforme no intercepto r, a montante do poço, ela realmente não ocorre nas proximidades do .poço. Esta é a profundidade para a qual a curva de remanso provocada pelo aporte da vazão do coletor tenderá assintomaticamente, Junto ao poço de visita a profundidade a montante é diferente da uniforme e deverá ser determinada com ajuda da equação de quantidade de movimento.

I

" --+-I

I

:

I

:

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I I --,--

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DE ESGOTO

197

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(5.44)

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ou

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Com

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,

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VOLUME OE CONTROLE

\

)

\

I

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Com D2=1,50 m; ~2=2,165 rad; A2=1,479 m2 e Q2=1,785 m3/s, o segundo membro da equação (5.45) resulta, numericamente, 1,001. Conhecendo-se ainda o 3 valor de QJ=I ,618 m /s, pode-se escrever a equação (5.45) com apenas a incógnita ~J' e fica:

'

I

L

l

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I

)

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~2=._-(t-

Figura

D~ ( 3sen~1 -sen 24

3

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~I -3~1 COS~I +

2

(l,6l8f

98l!.2(n. _ sen2~1) , 4 1-'1 2

5,20 - Volume de controle para cálculo hidráulico de um poço de visita com queda externa.

n02

pgYIAI +P3 --coS8-pgY2A2 . ·4

-

= 1,001

(5.48) )

Q~ = -P--P--2 AI

4Q~ 8 Q~ cos +pnD A2

)

E, com O2= 1,50m, fica ainda: (5.49)

A equação de quantidade de movimento aplicada ao volume de controle indicado na figura.5.20 e projetada na direção "x", fornece:

-

)

o valor

)

de ~J que satisfaz esta equação é:

(5.43)

Nesta equação (5.43) a notação Y indica a profundidade do centro de gravidade da seção e, as incógnitas aqui são duas: "YJ" (ou "~J") e P3' Por serem duas incógnitas há a necessidade de se impor mais uma equação envolvendo "Y," e "p/', Tal equação corresponde à Primeira Lei da Termodinâmica, que aplicada ao presente problema ficaria reduzida ao balaço de potências, Para se evitar a necessidade do uso de mais uma equação pode-se optar por simplificar a equação (5.43), tomando-se o ângulo 8 = nl2, o que a transforma em:

) )

que associado ao diâmetro 0=1,50m, corresponde à profundidade YJ=I,199 m. Pode-se fazer a seguinte análise deste resultado: sem o aporte da vazão 3 Q = 0,167 m /s, proveniente do coletor, a vazão no interceptor era QJ=I,618 m3/s com uma profundidade uniforme YJ u=I,075 m. Com o aporte da vazão do coletor 3 3 Q = 0,167 m /s, a vazão ajusante do'poço de visita passou a Q2= 1,785 m /s, com uma profundidade uniforme Y2=1,170 m. A vazão da montante do poço de visita permanece a mesma, QJ= 1,618 mvs, ocorrendo apenas um represamento local,

) ) ) ) ) )

)

-, ) )

198

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

INTERCEPTORES

SANITÁRIO

DE ESGOTO

199

) ficando a profundidade imediatamente montante em Y 1=1,199 m, o que significar estar o nível d'água, imediatamente a montante do poço, 0, 124m acima do nível do escoamento uniforme Y l,u=I,075m. O aporte da vazão do coletor fazendo um ângulo de e = nl2, com o interceptor é uma condição hidraulicamente severa. Se este ângulo de entrada for reduzido para e = n/3 ou n/4, os cálculos hidráulicos ficam mais complicados mas o represamento será menor. O exemplo aqui tratado propiciaria um poço de visita como o esquematizado na figura 5.21.

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BALÃO

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) ) ) ) )

) ) )

) )

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,l

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TAMPÃO

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CAPíTULO

)

6

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SIFÕES INVERTIDOS r

6.1.

INTRODUÇÃO

No projeto de obras para coleta e transporte de esgoto sanitário é freqüente a necessidade de transpor obstáculos como córregos, rios, galerias de águas pluviais, adutoras, linhas de metrô, galerias de cabos elétricos ou de comunicações etc. A transposição desses obstáculos poderá ser feita por cima ou por baixo. Para a transposição por cima, há necessidade de elevar o líquido utilizando-se estações elevatórias de esgotos. Para transpor o obstáculo por baixo, é possível aprofundar apenas a tubulação mantendo-se o escoamento em conduto livre ou aprofundar a tubulação e, após o obstáculo, elevá-Ia outra vez até atingir uma cota apenas ligeiramente inferior à cota da tubulação logo a montante do aprofundamento, a fim de vencer o obstáculo. Neste caso, o escoamento se dá em conduto forçado e a obra de transposição do obstáculo é denominada de sifão invertido ou falso sifão (figuras 6.1 e 6.2). Por ser uma obra de custo relativamente elevado que apresenta dificuldade de limpeza e de desobstrução, o sifão invertido deve ser utilizado somente após um estudo comparativo com outras alternativas. Entretanto, em determinadas situações, o sifão invertido é uma solução adequada tanto no aspecto técnico como no econômico, embora signifique um ponto singular no sistema de coleta e transporte de esgotos que exige cuidados especiais por parte da operação. 6.2.

HIDRÁULICA DO SIFÃO INVERTIDO

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Em perfil, o sifão invertido tem forma similar a um U interligando duas câmaras. Em sua entrada existe uma câmara cuja função é encaminhar o fluxo para o sifão e, em sua saída, há outra que orienta o fluxo efluente para a canalização de jusante. Entre essas câmaras, o escoamento se dá por gravidade em conduto forçado, sendo o nível de água na câmara de entrada superior ao da câmara de saída. A ligação entre as câmaras é feita através de tubulações. Os conceitos hidráulicos aplicáveis são, portanto, aqueles dos condutos forçados. Para os cálculos da perda de carga distribuída, recomenda-se o uso da fórmula Universal com o coeficiente de rugosidade uniforme equivalente K = 2mm. Caso se

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PLANTA -S/ESC.

Figura

6.1 - Sifão Invertido. Planta e corte.

LAJE REMOV(VEL COM FUROS PARA LIMPEZA 00 COLETOR E OPERAÇÃO OOS STOP-LOG.S

LAJE PARA

LAJE REMovíVEL COM FUROS PARA liMPEZA 00 COlETOR E OPERAÇÃO DOS STO P - lOGS

REMOVIVEL COM FUROS LIMPEZA 00 SIFÃO

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CÂMARA

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6.2 - Sifão Invertido. Planta e corte. Fonte: Ferretti (1993).

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204

SIFÕES INVERTIDOS

COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

205

) )

utilize a fórmula de Hazen- Williams, recomenda-se utilizar o coeficiente de HazenWilliams C= 100. Para a fórmula de Manning, recomenda-se o valor do coeficiente de Manning n~0,OI5. Para o cálculo da perda de carga localizada pode ser utilizada a seguinte expres-. são:

) ) ) )

y2 ~HL =LK

s

2g

)

(6.1)

) )

onde: ~HL = perda de carga localizada, m; LK, = somatória dos coeficientes de perda de carga localizada; y = velocidade média na seção, m/s; g = aceleração da gravidade, m/s2•

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6.3.

VELOCIDADES

O objetivo fundamental de um projeto de sifão é garantir uma condição de escoamento que, pelo menos uma vez por dia, propicie a autolimpeza das tubulações ao longo do período de projeto. Para isso, é necessário a determinação minuciosa das vazões de esgotos afluentes ao sifão. Como as obstruções no sifão invertido são mais dificeis de serem removidas do que em coletores de esgotos, devem ser tomados cuidados especiais para evitar sua formação. A maioria dos trabalhos publicados a respeito de sifões invertidos indica que escoamento no sifão com velocidade igualou superior a 0,9 m/s, que além de impedir a deposição de material sólido (areia) na tubulação, é capaz de arrastar a areia já depositada. Se a velocidade igual a 0,9 m/s é capaz de arrastar a areia sedimentada na tubulação, a ocorrência de valores de velocidade igualou superior a 0,9 m/s, pelo menos uma vez por dia, é capaz de propiciar a autolimpeza do sifão, o que impede a formação de depósito de material sólido que venha a obstruir a tubulação. Assim, um critério racional para o dimensionamento de sifões invertidos é a imposição de se terem qualquer época uma velocidade maior ou igual a 0,9 m/s para a vazão máxima de esgotos de um dia qualquer, portanto, no cálculo dessa vazão máxima não se deve incluir o coeficiente do dia de maior contribuição k, . A imposição de uma velocidade mínima de 0,9 m/s, recomendada por alguns autores para as vazões mínimas de esgotos, não é um critério de dimensionamento adequado e leva a valores excessivos da perda de carga no sifão para as vazões máximas. Em muitos casos, isso inviabiliza o uso de sifões invertidos.

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Na figura 6.3 são apresentadas as perdas de carga em um sifão invertido.

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SIFÕES

DE ESGOTO SANITÁRIO

INVERTIDOS

207

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, 1111' 'rill:rio de dimensionamento que vem sendo adotado com êxito pela SABESP l: o tI<' :;,' garanlir uma velocidade igualou superior a 0,6 m/s para a vazão média, ao 10llgll ,k Illdo o período de projeto. Este critério leva a resultados próximos daqueles "IIII,hISpelo uso do critério considerado racional para se garantir a autolimpeza COIII\ "ltll'idade de 0,9 m/s para a vazão máxima, que se obtém multiplicando-se a v~mi,\ 1I11'dia(cxceto a de infiltração) pelo coeficiente da hora de maior contribuição K" /I.ltl\lillil\cnte admitido com o valor de K2= 1,5. - 1\' l'II\(;idade máxima é função das características do material do sifão e da carg:1 .h~l'(lníwl e, em geral, nào deverá ser maior do que 3,0 a 4,0 m/s,

(b)

10)

(c )

(d)

( e)

Figura

6.4 - Tipos de perfis de sifões invertidos. Fonte: Leme (1971).

6.7.

CÂMARAS VISITÁ VEIS

j

6.4.

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p\.\I\1ETRO

MÍNIMO

(\Iilsi,krando que, para tubulações de pequeno porte, quanto menor o diâme11\:111 1i i\ 11l)~sibilidadede obstrução, é recomendável que o diâmetro mínimo do si ITi. I "I' l'ltidl) seja igual ao diâmetro mínimo do coletor de esgoto. É prática usual a ndo~':\ll,lil diúl11etromínimo de 150 mm. l~•.•.''I\lcnda-se, portanto, para diâmetro mínimo o valor de 150 mrn,

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6.5.

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DE TUBULAÇÕES

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(\ ~11:ÍlIinvertido deverá ter no mínimo duas tubulações, a fim de possibilitar o isol;1I1",,,Il'de uma delas sem prejuízo de funcionamento, quando for necessária a excé"'-'\" lI<:reparos ou desobstrução. N,' "I SI' de instalação onde há grandes variações de vazão, o número de tubulay().'~ 1","kI'Ú ser aumentado convenientemente de modo a garantir a manutenção de Vl'III\ldade~adequadas ao longo do tempo.

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6.6.

I'ERFIL DO SIFÃO

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l,,'rdas de cargas e a facilidade de limpeza são dois aspectos que devem ser consi.kr,Id.1s para a definição do perfil de um sifão. n 1"'!'Iilque tem sido normalmente utilizado é o que se assemelha a um trapézio COI1\ ;\I,lsl' menor para baixo e sem a base maior. Emprega-se ainda sifões com perfil ('1\\ U, dependendo do espaço disponível para sua implantação, ~;I fi~;ura 6.4 são apresentados diversos perfis esquemáticos de um sifão. (\\\\t~'rme mostra a figura 6.4, os tubos de um sifão podem ser construídos obliql\,\\lIl'nte como em (a), verticalmente como em (d), misto como em (b) e (c). FI\\h't'
o sifão invertido deve ser projetado com duas câmaras visitáveis: câmara de montante ou de entrada e câmara de jusante ou de saída, A câmara de montante é projetada de maneira a encaminhar o escoamento para as canalizações que constituem o sifão propriamente dito e a câmara de jusante, destinada a induzir o efluente para o coletor de jusante, evitando-se refluxos de águas para as tubulações dosifão que não estiverem sendo utilizadas. A distribuição do fluxo para as tubulações na câmara de montante poderá ser feita através de vertedores laterais ou da opéração de stop-logs ou comportas, Em geral, tem sido utilizada a altemativa de stop-logs que possui a vantagem de poder distribuir melhor as vazões, de modo a manter sempre uma velocidade mínima de autolimpeza. Por outro lado, essa alternativa tem a desvantagem de requerer a entrada de pessoas na câmara de montante para efetuar a operação dos stop-logs. A utilização do vertedor lateral tem a vantagem de dispensar a entrada freqüente de pessoas na câmara, porém ocasiona maior perda de carga, pois pode ser considerado um obstáculo submerso quando o escoamento passa sobre ele, Quando se utiliza o vertedor lateral, devem ser tomados os devidos cuidados quanto às velocidades para que atendam as condições de auto limpeza, As câmaras de montante e de jusante devem ser projetadas com dimensões adequadas, de modo que permitam o acesso e a movimentação de pessoas e equipamentos. 6.8.

VENTILAÇÃO

Quantidades consideráveis de ar e gases são arrastadas pelo escoamento dos esgotos nos coletores funcionando em conduto livre. Entretanto, esse fluxo é interrompido na câmara de montante do sifão invertido, uma vez que o escoamento no sifão se dará em conduto forçado.

(; ) ) 208

COLETA

DISTRIBUiÇÃO -VERT EOOR

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

SIFÕES

DO F~A LATERAC LI--"7

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DO SIFÃO

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)

209

)

A retirada de ar é feita através de tubulação com diâmetro variando de um décimo até metade do diâmetro do sifão. Quando se interliga as duas câmaras, essa tubulação geralmente é localizada em paralelo às tubulações do sifão.

-

3

INVERTJDOS

AFLUENTE

6.9.

) ) )

EXTRAVASOR

)

A possibilidade de ocorrência de acidentes, quebras, entupimentos etc, que podem interromper o funcionamento do sifão requer a instalação de dispositivos de extravasão ou de descarga. Quando o sifão destina-se à travessia de um curso d'água, pode-se prever uma canalização extravasora na câmara de montante, com cota suficiente para o lançamento dos esgotos no rio. Esta solução só não é utilizada nos casos em que a manutenção da qualidade da água no corpo receptor a torna inviável e desde que as canalizações afluentes possam ser extravasadas em outros locais.

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6.10. MATERIAIS

CORTE

A-A

Figura 6.5 - Sifão invertido com distribuição de fluxo através de vcrtcdor lateral.

Devido a essa interrupção, haverá um acúmulo de ar e gases que poderá dar origem a uma pressão positiva na câmara de montante, de modo a provocar o escape de gases com odor desagradável, através de orificios e frestas dos tampões de acesso a esta câmara. Se a câmara de montante for completamente vedada, os gases passam a caminhar em sentido inverso ao do escoamento, até conseguir escapar através de poços de visita a montante do sifão. Neste caso, todo o oxigênio na câmara é exaurido e gases, principalmente o sulfidrico que desprende do líquido devido ao aumento de turbulência ocasionado pelo dispositivo de controle de vazão, se concentram podendo trazer sérios problemas de odor. Com o acúmulo de sulfetos na câmara de entrada, este local se torna um ambiente altamente tóxico que pode causar a morte de operadores que visitam a câmara sem a devida máscara de proteção. Para minimizar estes problemas, pode-se interligar a câmara de montante à de saída, por meio de tubulação, de modo que os gases sejam transferidos para a câmara de jusante e arrastados pelo fluxo de esgotos ajusante do sifão. Dependendo da localização da câmara de montante, os gases poderão ser lançados na atmosfera, desde que as condições ambientais do local não sejam afetadas. Neste caso, não haverá a necessidade de interligaçãoda câmara de montante com a câmara de jusante.

Para o sifão invertido podem ser utilizados tubos de ferro fundido dúctil, concreto armado, aço ouplástico. Nos casos em que o sifão é construído sobre leitos de cursos d'água, deve-se verificar seu peso ou ancorar as tubulações para prevenir sua flutuação, condição que pode ocorrer durante o periodo de construção ou quando do seu esvaziamento para reparos. Os tubos leves geralmente são revestidos com uma camada de concreto visando impedir seu deslocamento e, às vezes, para sua proteção.

) ()

) ) ) ')

I) 6.11. CONSIDERAÇÕES

COMPLEMENTARES

Uma das principais preocupações ligadas ao uso de sifões invertidos se refere a eventuais necessidades de desobstruí-Ios, particularmente quando ocorre o acumulo de sólidos mais pesados, como pedras, que resistem 'ao arraste hidráulico e requerem a utilização de equipamentos mecanizados de limpeza. Procura-se utilizar os mesmos equipamentos utilizados para a limpeza das redes coletoras, para limpar os sifões invertidos. Um equipamento de limpeza de sifões invertidos bastante eficiente e usado em São Paulo é o "Bucket machine" (figura 6.6), que é utilizado para a limpeza de redes coletoras de esgotos, quando estas contêm terra ou pedras depositadas em quase toda a extensão. Trata-se de duas máquinas que trabalham em conjunto, denominadas, respectivamente, carregadeira e descarregadeira, instaladas na câmara de montante e na câmara de jusante. Este equipamento é provido de um motor.. o qual aciona uma roldana que enrola e desenrola um cabo de aço. Na outra extre-

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210

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

SIFÕES INVERTIDOS

) 700

midade do cabo há uma caçamba que é arrastada pelo interior das canalizações, raspando a soleira e recolhendo o material ali sedimentado. Existem caçambas de diferentes tamanhos, sendo que sua escolha depende do diâmetro das canalizações do sifão invertido, assim como das dimensões das câmaras de montante e de jusante. O sifão invertido apresentado na figura 6.2 foi concebido para a utilização do "Bucket machine".

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)

600

) CARREGADEIRA

DESCARREGADEIRA

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IMPLANTA

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i SENTIDO

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I

I I

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)1 . )1 i

)

J

i

)I

~II )

Tabela 6.1 - Vazões afluentes em função das etapas de implantação do sifão

Entretanto, nos casos em que o "Bucket machine" não é eficiente para a limpeza, ou nos casos em que é necessário completar a limpeza efetuada pelo "Bucket machine", pode ser utilizado um equipamento combinado de alto vácuo e alta pressão. Este equipamento consiste no uso de água por alta pressão, que produz a limpeza, sendo que, a remoção do material será efetuado pelo equipamento de alto vácuo.

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,I )1 . 1 '

JI

DA CORRENTE

Figura 6.6 - "Buckct machinc".

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I:

SIFÃO

I1

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I !

00

Figura 6.7 - Vazões afluentes ao sifão ao longo dos anos

j.

)

Ão

6.12. EXEMPLO

DE CÁLCULO

- Projeto de um sifão invertido

Vazões (Ris)

Etapas Média (Q) Imediata (Implantação) Primeira Etapa (após 10 anos) Segunda Etapa (após 20 anos) • Vazão máxima horária dia qualquer-

80 200 328

b) Comprimento

a) Vazões do projeto

O comprimento do sifão é de 40 metros. c) Características

Máxima 130 336 534

utilizada para verificação da autolimpeza, sem K,.

Elaborar o projeto de um sifão invertido com os seguintes dados:

Ao longo dos anos, as vazões afluentes ao sifão serão de acordo com os valores mostrados na figura 6.7. . Pela figura 6.7 têm-se as vazões para cada etapa do projeto, as quais são mostradas na tabela 6.1.

Máxima horária' Dia qualquer 111 283 446

do sifão

do coleto r que aflui ao sifão

• Diâmetro: 800 mm • Declividade: 0,0036 mim • Cota da soleira do coletor afluente: 384,00 m

211

--:-:i ) ) 212

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

SIFÕES

INVERTIDOS

)

213

)

SOLUÇÃO 1.

,

I·

Adotando-se o diâmetro comercial mais próximo, resulta em D2

Cálculo das tubulações

do sifão invertido

mm.

)

)

.Alternativamente, para a vazão máxima horária de um dia qualquer, de 283 R./s.

)

Admitindo-se que o sifão invertido será constituído de 3 tubulações (1,2 e 3), de modo que a tubulação 1 atenderá a etapa imediata, a tubulação 2 mais a tubulação ) atenderão a primeira etapa e a tubulação 3 e as demais atenderão a segunda etapa, a seguir serão determinados seus diâmetros, considerando-se para a vazão média velocidade superior a 0,6 rnIs (para a vazão máxima horária de um dia qualquer, velocidade igualou superior a 0,9 m/s). • Determinação do diâmetro da tubulação do sifão.

= 500

I para atender o início de operação

Q2 == 283 -111 == 172I'./s )

0,172 J S2 == 0,90 == 0.191 m: , que também resulta em O2

)

= 5OOmm.

) )

• Determinação do diâmetro da tubulação 3 para atender a segunda etapa, em primeira aproximação. Para

Qmccl =

) )

328 (/s

)

Para a vazão média de 80 e/s.

)

o 133 m 2

- QI - 0,080 S 1-----V 0,60

)

'

) ) DI = J4~1 = J4XO~133 =0,412 m

) Adotando-se o diâmetro comercial mais próximo, resulta em D3 = 500 rnm.

Adotando-se o diâmetro comercial mais próximo, resulta em D. = 400mm. Alternativamente, para vazão máxima horária de um dia qualquer, de 111 f./s

)

Alternativamente, para a vazão máxima horária de um dia qualquer, de 446 RIs.

)

) 0111 , SI = -' - = 0,123 m2 que tambem resulta em D. 0,90

Q3 = 446 - 283 = 1631'./s 0,163

S) =

• Determinação do diâmetro da tubulação 2 para atender a primeira etapa, em primeira aproximação. Para

Qmcd =

=

9.!. = 0,120 Q

)

2

que também resulta em OJ

=

500 mm.

)

Cálculo da curva característica e a forma de se operar o sifão.

)

Para determinar a curva caracteristica do sifão são calculadas as perdas de carga, que se compõem de perdas de carga localizada e perdas de carga distribuída.

Q2 = 200 - 80 = 120 I'./s S2

090· = 0,181 m ,

() 2.

200 eis

)

= 400mrn

) )

= 0,200 m2 • Perda de carga localizada

0,60

I

)

) --O 2--J4S2 1t

_J4XO,200-0501t

,

5m

f

)

') )

214

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SIFÕES

SANITÁRIO

Tabela 6.2 - Coeficiente de perda de carga localizada, em função das peças do sifão

Peça Entrada 2 curvas 45° Saída I:Ks

)'

=

Vazão

Velocidade

0,50 0,40 1,00

(eis)

(m/s)

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

0,15 0,31 0,46 0,61 0,76 0,92 1,07 1,22 1,37 1,52 1,68

1,90

)!

I

V2

Y

Portanto, a perda de carga localizada 1,902g

) •• Perda de carga distribuída

) )

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I I

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I

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J.! ,i ). ~

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J I

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J ) I

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JiI

)1

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JI )

As tubulações do sifão serào de ferro fundido dúctil classe k-7. As perdas de carga serão calculadas pela fórmula Universal, com coeficiente de rugosidade uniforme equivalente (K) igual a 2,0 mm. Considerando que o comprimento do sifão é de 40 metros, as perdas de carga totais serão determinadas através das tabelas 6.3 e 6.4. Tabela 6.3 - Perda de carga total, em função da vazão para o sifão eom tubulação de 400 mm.

215

Tabela 6.4 - Perda de carga total, em função da vazão para o sifão com tubulação de 500 mrn

Ks

\

INVERTIDOS

Perdas de carga (m) Localizada Distribuída Total 0,01 0,01 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,14 0,18 0,22 0,27

0,01 0,01 0,03 0,05 0,07 0,10 0,14 0,18 0,22 0,27 0,33

0,02 0,02 0,05 0,09 0,13 0,18 0,24 0,32 0,40 0,49 0,60

A forma de operar o sifão, de modo a manter velocidades adequadas, é apresentada na figura 6.8 e na tabela 6.5.

Tabela 6.5 - Variação das velocidades intervalo das vazões.

e das perdas de carga nas tubulações

do sifão, em função do

Perdas de carga (rn)

Vazão

Velocidade

(e/s)

(m/s)

Localizada

Distribuída

Total

30

0,24

0,01

0,01

0,02

60

0,48

0.02

0,04

0,06

90 120 150 180 210

0,71 0,95 1,19 1,48 1,67

0,05 0,09 0,14 0,20 0,27

0,08 0,14 0,22 0,32 0,44

0,13 0,23 0,36 0,52 0,71

250 - 400

Na figura 6.8 foram traçadas as curvas características do sifão, determinandose a curvas de perda de carga para as tubulações de 400 mm e de 500 mm, e suas respectivas velocidades. O traçado das curvas de perda de carga para as associações das tubulações foi feito graficamente, considerando-se para uma determinada perda de carga a soma de vazões de cada tubulação. Pela distribuição das vazões ao longo do período de projeto e considerando-se as velocidades de autolimpeza nas diversas tubulações do sifão, pode-se admitir uma perda de carga máxima de 0,35 metro.

Intervalo de vazões (f./s)

Tubulação em operação

Variaçãode Velocidades (m)

Variação das perdas de carga (m)

80- 150

(I)

0,64 - 1,19

0,10 - 0,35

150 - 250

(2) ou (3)

0,76 - 1,27

0,13 - 0,35

(I )+(2)ou( I )+(3)

0,74 - 1,19 no tubo 1 0,80 - 1,27 no tubo 2 ou 3

0,14 - 0,35

400 - 500

(2) + (3)

1,02 - 1,27

0,23 - 0,35

500 - 650

(1) + (2) + (3)

. 0,90 - 1,19 no tubo 1 0,99 - 1,27 nos tubos 2 e 3.

0,21 - 0,35

Pelo que se observa na tabela 6.5, a condição crítica de operação do sifão situase na fase inicial, onde a velocidade pata a vazão média é de 0,64 m/s. Para a vazão máxima horária de um dia qualquer de 111 f./s, no início da operação a velocidade será de 0,88 m/s. Pelo exposto no item 6.3, para essa velocidade pode-se admitir que haverá auto limpeza nas tubulações do sifão. Considerando a forma de operar o sifão e as vazões afluentes, pode-se prever, conforme apresentado na figura 6.9, o período de operação das diversas tubulações do sifão. (tabela 6.6).

(n )

(

)

216

SIFÕES INVERTIDOS

COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

)

217

) VELOCIDADE

o C!. N~

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Figura

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6.9 - Determinação

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)

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)

28

ANO

)

do período de operação do sifão, em função da vazão.

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Tabela 6.6 - Períodode

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.Tubulação do sifão

Período de operação (anos)

(1) (2) ou (3) (1) + (2) ou (I) + (3) (2) + (3) (I) + (2) + (3)

0-[ 1-5

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5 -13 13 - [8

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25

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3.

Níveis de água nas câmaras do sifão ) • Câmara de montante

)

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operação das tubulações do sifão .

s

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O

Para a determinação dos níveis de água nas câmaras do sifão, foram consideradas as vazões que ocasionam as perdas de cargas máximas (.1H =0,35 m), conforme se observa na figura 6.8. Na tabela 6.7, estão determinadas as cotas dos níveis de água na câmara de montante para essas vazões. Na figura 6.10 são apresentados os detalhes da câmara de montante e o nível de água máximo.

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I ) I

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)

218

)

)

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

SIFÕES

), I ,

) , ,

):

Q ( eis)

y/D (m)

Cota do NA na câmara de montante (rn)

150 250 400 500 650

0,30 0,39 0,50 0,57 0,69

384,24 384,31 384,40 384,46 384,55

INVERTIDOS

219

A cota do fundo da câmara de jusante será definida de modo a não afogar o coletar efluente do sifão. Como o diâmetro e a declividade do coletar efluente serão iguais aos do coletar afluente à câmara de montante, as alturas de lâminas de água serão iguais. Assim, a cota do fundo da câmara de jusante deverá ser:

Tabela 6.7 - Níveis de água na câmara de montante

)

)

COLETA

cota de fundo

= 384,00 - 0,35 = 383,65m.

Na figura 6.11 são apresentados os detalhes da câmara de jusante, inclusive o nível máximo de água.

)

) )

CÂMARA

)

DE

MONTANTE

)

COLETORAFLUENTE VN.A.max.:~5

)

384,00

)

1=0,0036

...,.,

mm

)

.~. TUBULAÇÃO DO SIFÃO

)

Figura 6.11 - Detalhes da câmara de jusante.

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Figura 6.10-

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4.

Ventilação do sifão

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Detalhes da câmara dc montante.

,

•

Câmara de jusante

o nível de água na saída do sifão é resultante do nível de água de montante, menos a perda de carga. Considerando as vazões transportadas pelo sifão que ocasionam as perdas de carga máxima, tem-se os níveis de água na câmara de jusante, conforme apresentado na tabela 6.8.

Será projetada uma tubulação para a ventilação do sifão a ser localizada na câmara de montante, pois está se admitindo que os gases expulsos não afetarão as condições ambientais do local. Seu diâmetro será equivalente a um décimo das tubulações do sifão. Áreas das tubulações do sifão: 2

10400mm -+ SI

=

rrD 4

2"'500mm -+ S?

=

2 rrD

Tabela 6.8 - Níveis de água na câmara de jusante

(f.Is)

. Cota do NA na câmara de montante (rn)

Perda de carga (rn)

Cota deiNA na câmara de jusante (m)

150 250 400 500 650

384,24 384,31 384,40 384,46 384,55

0,35 0,35 0,35 0,35 0,35

383,89 383,96 384,05 384,11 384,20

Q

~

=

rr.(0,40)2 4

=

2

-

4

0126 m2 ' 2

=

2.rr.(0.50)

4

=

0393 m2

'

A área equivalente das tubulações do sifão será de O, 517 m'. Portanto a área da tubulação de ventilação do sifão será de 0,05.19 m2 e seu diâmetro será de 250mm.

•

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(

220

COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

I

Para a determinação dos níveis de água nas câmaras do sifão, foram consideradas as vazões que ocasionam as perdas de cargas máximas.

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no Curso

METCALF

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I

I

el ei o o ""

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II

apresentado

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I i:

NETO . .J.G.O. - Uli/i::açe/o de Sifõe» Invertidos

Sanitários. Trabalho

de Engenharia

I

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7

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)

)

CORROSÃO E ODOR EM SISTEMAS DE COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

I

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) ,

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)

7.1.

)

Sistemas de coleta e transporte de esgoto sanitário, particularmente aqueles de maior porte e localizados em áreas de temperaturas mais altas, apresentam um elevado potencial de formação de produtos que são passíveis de gerar odores ofen-

) )

sivos e corrosão dos condutos de esgotos quando estes são de cimento ou metálicos (aço ou ferro fundido), Os principais produtos responsáveis pela produção de odor e corrosão, quando em concentrações elevadas são, também, tóxicos ao homem e representam um perigo de vida aos operadores desses sistemas de esgoto. As substâncias responsáveis pela geração de odores ofensi vos encontradas em

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INTRODUÇÃO

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esgoto sanitário são, de modo geral, resultantes de decomposição anaeróbia de matéria orgânica contendo enxofre e nitrogênio e, principalmente, pela redução de sulfatos e sulfetos, também em anaerobiose. O sulfeio de hidrogênio (H~S) ou gás sulfldrico, é o mais importante gás observado em sistemas de coleta e transporte de esgoto sanitário, associado à produção de odores desagradáveis, corrosão e toxidez. H~S tem um odor característico de ovo podre, é extremamente tóxico, e é corrosivo a metais como ferro, zinco, cobre, chumbo e cádrnio, bem como é precursor para a formação de ácido sulfúrico (HZS04), o qual corroe concreto, pintura à base de chumbo, metais e outros materiais. Nos sistemas de coleta e transporte de esgoto sanitário, os problemas relacionados à presença de sul fetos são observados, principalmente em coletores troncos, interceptores e emissários, implantados normalmente em concreto, em poços de sucção de elevatórias e também em tubulações metálicas de linhas recalque de maior porte. Uma vez que as condições que favorecem a formação de H2S, normalmente também são aquelas favoráveis à produção de compostos orgânicos mal cheirosos, o estudo das condições relativas à formação de sul fetos e eis métodos para minimizar a sua produção, também permitirão o conhecimento do potencial de produção e de controle

de outros gases indesejáveis

nos sistemas de esgoto sanitário.

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) COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITi\ltIO

CORROSÃO

E ODOR EM SISTEMAS

DE ESGOTO

225

7.2.

SULFETOS EM ESGOTO SANITÁRIO

7.2.2.

7.2.1.

Origem

Sulfeto de hidrogênio (H~S) molecular formado pela redução de sulfato, dissolve em água e se dissocia de acordo com a reação de ionização reversível, expressa, corno:

Sul fetos em esgoto sanitário podem ser provenientes de despejos industriais, de águas de infiltração, da decomposição anaeróbia de matéria orgânica contenda enxofre (por exemplo aminoácidos tais como cisteina, cistina e metonina), pela redução de tiosulfato, sulfito, enxofre livre eoutros compostos inorgânicos de enxofre eventualmente presentes no esgoto, porém, sua principal origem é a redução bacteriana anaeróbia do ion sulfato (S042.), presente no esgoto. O ion sulfato é normalmente encontrado em esgoto sanitário, podendo sua concentração variar desde poucas até centenas de miligramas por litro. A principal origem de sul fetos em esgoto sanitário é devida à ação de bactérias que reduzem o sulfato para obter energia para sua manutenção e crescimento. Sob condições anaeróbias (sem oxigênio), dois gêneros de bactérias anaeróbia obrigatória da espécie Desulfovibrio, cornumente chamadas de bactérias redutoras de sulfato, podem converter sulfato a sul feto. Dv. desulfuricans, Dv._vulgaris e Dv salxigens são os principais membros da espécie Desulfovibrio associada a essa transformação. A reação de redução é normalmente casada com a oxidação de matéria orgânica e, em casos especiais, hidrogênio. Quando se tem a oxidação da matéria orgânica, a produção de sulfetos pode ser representada pelas equações: buctériasuncróbiu,)

S2- + H 20 + COz

Formas de sulfetos dissolvidos

) )

) ) )

(7.4)

) (7.5)

)

A distribuição dessas espécies como lima função do pH é apresentada na figura 7.1. Desta figura, pode-se concluir que as formas predominantes de sulfeto encon-

)

tradas no esgoto sanitário, cujo pH fica normalmente entre 6,5 e 7,5 são H2S (aquoso) e HS,

)

) ) ) )

80

)

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E 60

,)

rn

ro

c

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SO} + matéria orgânica

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40

(7.1) 20

) )

(7.2) 6

Em casos especiais, em que as bactérias contêm a enzima hidrogenase, a reação que se segue, que também é importante na corrosão de tubos de ferro, pode,

8

10

11

)

pH

Figura

7.1-

Distribuição

)

das espécies de sulfcio em função do pl-l. Fonte: Bowker ct aI.. 1989.

)

OCOITer:

(7.3) Considerando que o esgoto doméstico contém bactérias capazes de completar essas reações, bem como matéria orgânica e quantidades variáveis de íon sulfato, o potencial para a produção de sulfetos de hidrogênio sempre existe.

É importante considerar que, se parte do H~S dissolvido escapa para a atmosfera, o H2S dissolvido restante será dividido entre HzS e HS' na mesma proporção anterior, uma vez que o equilíbrio se restabelece quase que instantaneamente. Das formas de sulfeto referidas, apenas o H2S é liberado da fase líquida e é o causador dos problemas de odor e corrosão. A presença de metais no esgoto pode resultar na reação destes com o sulfeto, formando um sal insolúvel, que precipita. Portanto, a porcentagem de sulfetos dissolvidos em um esgoto, varia com o pH e com a quantidade de metais presentes. O percentual de sul fetos dissolvidos em relação ao total de sul fetos em esgoto sanitário, normalmente varia na faixa de 70% a 90% (Bowker et al., 1989).

) ) ) ) ) I

I

)

)

)

j ) ) 226

) )

7.2.3.

) ]i .:. )

COLETA E TRANSPORTE

r

;

"

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); , ) ) )

físico-químicas

E ODOR EM SiSTEMAS

DE ESGOTO

227

do H2S

De acordo com Bowker et aI. (1989), o H"S é um gás incolor, com odor de ovo podre e levemente mais pesado que o ar. A exposição humana a pequenas concentrações de H2S no ar.pode causar dores de cabeça, náuseas e irritaçào nos olhos. Maiores concentrações de H"S podem causar paralisia do sistema respiratório, resultando em desmaios e possivelmente morte. Concentrações de 0,2% no ar é fatal a seres humanos após exposição por poucos minutos. O gás H2S é explosivo a concentrações de 4,3 a 45,5% no ar. O gás sulfídrico é moderadamente solúvel em água e sua solubilidade decresce com a temperatura (2945 mg/f:' a 28"C e 41 50 mglC a 15uC). 7.2.4.

)

Propriedades

CORROSÃO

Di: ESGOTO SANiTÁRiO

Processo de formação de sulfetos na coleta e transporte sanitário

AR

ESGOTO OXIG~NIO SULFETO

DISSOLVIDO

DISSOLVIDO

>1 mg/l

NULO OU TRAÇO

de esgoto

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As bactérias redutoras de sul fato a sul feto podem ocorrer apenas em ambiente anaeróbio, e normalmente se desenvolvem na camada de limo subrnersa que se forma nas paredes dos condutos de esgoto. Esta camada de limo é mostrada na figura 7.2, considerando o esgoto com 0.0. (oxigênio dissolvido) de cerca de I mg/r, e na figura 7.3, o esgoto com 0.0.=0. A espessura da camada de limo varia normalmente de 1,0 a 1,5 mm, dependendo da velocidade de escoamento dos esgotos. Quando a velocidade é muito baixa, as camadas de limo podem atingir e mesmo ultrapassar 3 mrn. A presença de muita areia ou materiais abrasivos e velocidades mais altas, pode evitar a formação dessa camada. A presença de areia no esgoto, fluindo com baixas velocidades (e baixa tensão de arraste) mesmo nas horas de pico, permitirá a deposição de areia nos condutos, formando depósitos que reterão também matéria orgânica, se tornarão anaeróbios, com desenvolvimento de bactérias anaeróbias, resultando em condições adequadas para a geração de sulfetos, A camada de limo normalmente contém uma população heterogênea de microrganismos. A espessura da camada anaeróbia inerte aumenta gradualmente e, periodicamente, uma porção se desprende da parede do conduto. Sulfato (SO}·), matéria orgânica e nutrientes são transferidos por di fusão para dentro da camada anaeróbia e o sulfeto produzido dentro desta camada se transfere para fora dela. também por difusão. Se existir uma camada aeróbia de limo, em vista da presença de 00 no líquido (Figura 7.2), o sulfeto deixando a camada anaeróbia será oxidado e não chegará ao líquido. Por outro lado, quando se tem o 0.0=0 (Figura 7.3), o sul feto que deixa a camada anaeróbia é incorporado ao fluxo de esgoto.

Figura

7.2 - Redução de sulfato em condutos de esgoto com oxigêniosuficiente transporte do sulfcto para o liquido

para prevenir o

AR

ESGOTO

OXtGENIQ PRESENÇA

DE SULFETO

DISSOLVIDO

=

o

DISSOLVIDO

) ) ) )

Figura 7.3 - Redução de sulfato e transporte do sullcto produzido para a corrente líquida.

f) ) I

)

)

228

COLETA E TRANSPORTE

7.2.5.

CORRosAO

DE ESGOTO SANITARIO

Previsão de ocorrência

de sulfetos em tubulações

de esgoto.

Diversos modelos têm sido propostos para a previsão de sul feto e dentro todos o mais citado é a fórmula Z desenvolvida por Pomeroy (appud Takahashi, 1983) a partir de uma equação proposta por Davy, quese segue.

E ODOR EM SISTEMAS

DE ESGOTO

229

formação onde na realidade não ocorre e que, por outro lado, para grandes vazões a fórmula pode não indicar a formação quando na verdade é observada a ocorrênera. Richardson (appud Takahashi, 1988) recomenda faixa de vazões compreendidas entre 3 e 2.000 Ns.

a sua utilização

para uma

) )

, ) I

Para Takahashi (1983), caso a fórmula Z preveja condições de intensa formação de sul fetos, então o problema dever ser estudado com equações mais detalhadas para melhor conhecimento das possibilidades de sua ocorrência, para servirem de subsídios na decisão de adoção de medidas preventivas.

(7.6)

)

)

, ) ) )

[

'

onde: Z = indicador de tendência para a ocorrência de sul fetos, mg. DBOE = DBO . l,oiT•20) = DBO efetiva, mglf;' DBO

= demanda

T

bioquímica = temperatura, "C

[

=

de oxigênio

1 e.pé;

SI'3

p b

= largura

As condições

da superfície

CORRosAo CAUSADA POR SULFETO DE HIDROGÊNIO

)

,

)

a 20"C e cinco dias, mg/r;

7.3.1.

declividade da tubulação, mim; - d . ,{ = vazao e esgoto. pes /s; = perímetro molhado, pé;

Q

7.3.

O processo de corrosão por sulfeto de hidrogênio.

)

o

do líquido, pé.

prováveis para a geração de sul fetos são apresentadas

na tabela 7.1.

sulfeto de hidrogênio presente na fase líquida escapa para a atmosfera local, em quantidade que depende da sua concentração no líquido. O H~S é então transferido da atmosfera local para as paredes do conduto, acima da superfície líquida,

)

que são normalmente úmidas devido ao líquido ai condensado. O sul feto de hidrogênio retido nessa umidade é cntã() convertidoa ácido sulfúrico por bactérias aeróbias de gênero Thiobacillus, conforme segue:

)

)

)

')

Tabela 7.1 - Condições para a geração de sullctos segundo a fórmula Z de Porncroy e Davy

!"

t

l/ 1 .

Valores de Z (mg.s /f.pé)

i'

5.000

Z < 5.000 :s; 10.000

sZ

Z> FOI/te:

10.000

H2 S + 20 Condições

sul feto é raramente gerado condição marginal para a geração de sul feto comum a geração de sulfeto

formação

- sugere o valor de 7.500.

de sulfeto,

(1977) a fórmula

H SO 2

)

(7.7)

4

Esta reação é normalmente limitada pela umidade e pela presença de oxigênio, uma vez que espécies de Thiobacillus como r concretivorus, permanecem ativas em solução contendo até 7% de ácido sulfúrico (Metcalf & Eddy - 1981). A figura 7.4 ilustra o processo de formação de H2S04.

• Paintal - sugere o valor de 7.500. • Ludwig e Almeida - sugerem que pode ser utilizado o valor de 10.000 para vazões até I m,lls e para vazões maiores o valor de 6.100.

Pomeroy

)

)

O valor de Z a ser utilizado no projeto das tubulações de esgoto, para se previnir quanto à geração de sulfetos, tem sido apresentado por diversos autores, podendose destacar aqueles citados por Takahashi (1988)

Segundo

bactérias

a serem observadas

Takuh ashi (/988)

• Takahashi

2

Z tem sido bem sucedida

mas alerta que para pequenas

na previsão

de

vazões ela pode indicar ~ ~l!il

O ácido sulfúrico reage com o cimento dos condutos de concreto (em tubos de ferro de sistemas de esgoto o processo é similar), formando uma pasta que fica fracamente ligada aos agregados inertes do concreto, 'que se espalha por toda a superficie do conduto acima do nível do líquido. Esta pasta se desprende das paredes do conduto, sobe.

por seu próprio peso, ou é arrastado

pelo líquido quando

) ) I

)

) I )

)

seu nível

")

A taxa de corrosão depende da circulação de ar, da quantidade de condensado, da taxa de produção e quantidade produzida de H2S no esgoto e de outros fatores

)

locais. Estes aspectos são apresentados em detalhes em Metcalf & Eddy (1981) e outras publicações específicas sobre o tema, em parte apresentadas nas referências bibliográficas deste capítulo .. De modo geral. as maiores taxas de corrosão ocorrem proximidades da superfície líquida dos condutos, conforme

na parte superior e nas ilustrado na Figura 7.5.

) )

, ) I )

{

)

•

j ) )

230

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

CORROSÃO

E ODOR EM SISTEMAS

)

7.3.2.

) ) LOCALIZAÇÃO DAS BACTERIAS OXIDANTES DE H2S

).

) ) ) ) ) )

) )

Figura 7.4 - Corrosão de tubo de esgoto causado por sulfcto de hidrogênio.

) )

) PAREDE INTERNA ORIGINAL DO TUBO

J;.

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Controle

de corrosão

DE ESGOTO

23 I

por sulfeto de hidrogênio

Para o controle da corrosão por H2S, o ideal é não permitir a sua formação, ou quando não possível, minirnizá-la. As NBR 9649 de 1986 - Projeto de Redes Coletoras de Esgoto Sanitário e NB - 568 de 1989 - Projeto de Interceptores de Esgoto Sanitário, ao imporem os valores mínimos da tensão de arraste de 1,0 Pa e 1,5 Pa respectivamente, visam evitar a formação de depósitos de material sólido nas tubulações e minirnizar a formação do limo biológico nas paredes das tubulações, evitando, ou minimizando a geração de sulfetos no sistema de coleta e transporte de esgoto. O valor maior de tensão trativa mínima (1,5 Pa) para interceptores representa maior segurança e se justifica, por serem as suas tubulações de concreto, que são sujeitas à corrosão por HS Quando existem' condições para a formação do H,S nos condutos de esgoto, as alternativas mais recomendadas são aquela capazes de inibir a formação de sulfetos, seja pela aeração ou aplicação de oxigênio p~lro, de modo a evitar a anaerobiose, seja pela aplicação de produtos químicos oxidantes como cloro ou peróxido de hidrogênio, ou ainda pelo fornecimento de uma fonte alternativa de oxigênio combinado, para .as bactérias. como a adição de nitrato de sódioou nitrato de amônio, este último utilizado com sucesso na cidade de Santos, sr. Essas alternativas para se inibir a formação do H2S estão apresentadas em detalhes em algumas das referências bibliográficas apresentadas neste capítulo, destacando-se USEPA (1974), Bowker et aI. (1989): e Takahashi (19R3). A limpeza periódica de trechos críticos também é uma medida que pode contribuir para a minimização da produção de H2S no esgoto sanitário. Tendo em vista que nos sistemas de coleta e transporte de esgoto os cuidados tomados na fase de projeto e mesmo as medidas complementares para controle da produção de H,S não garantem a sua total eliminação, a escolha adequada de materiais para a construção dos condutos de esgoto sanitário é de grande importân-

)

cia.

)

Considerações sobre os tubos e materiais mais usuais em sistemas de esgoto sanitário, com relação à corrosão por sul feto de hidrogênio, apresentados por TAKAHASH I (1988) são a seguir apresentadas:

)'

) TUBOS CERÂMICaS

) ),

r ) ); I

)1 )

Figura 7.5 - Representação armado.

csqucrnáiica

de desenvolvimento

típico de corrosão em tubo de concreto

Os tubos cerâmicos oferecem as melhores condições de resistência aos agentes corrosivos comuns no sistema de esgoto, inclusive ao ácido sulfúrico e a altas temperaturas. Entretanto são limitados em diâmetro - no Brasil fabrica-se até 450 mrn com juntas flexíveis.

I)

r) 232

COLETA E TRANSPORTE

DE L:SGOTO SANITARIO

Ultimamente a vitrificação tem sido dispensada, estando inclusive prevista em Norma da ABNT. NBR 5645 de 1983 "Tubo cerârnico para canalizações Especificação". Nos tubos não vitrificados, a norma exige menor valor no ensaio de absorção de água. Como as bibliografias consultadas sempre exaltam as qualidades dos tubos cerâmicos vitrificados, há necessidade de se acompanhar o comportamento desses tubos não vitrificados. . TUBOS DE CONCRETO

. r

CORROSÃO

Tubos de concreto para esgoto são especificados em Norma da ABNT em diâmetro que variam de 200 a 1000 111mpara concreto simples (N BR 8889 de 1985) com as classes S-I e S-2 e para concreto armado (N B R 8890 de 1985) com as classes A-2 e A-3 para diâmetros de 400 a 2000 rnm. Cabe aqui uma observação em relação aos tubos de concreto para águas pluviais. Para águas pluviais há normas para o concreto simples com as classes C-I e C-2 e para o concreto armado com as classes CA-I, CA-2 e CA-3. Estes tubos não são adequados para esgoto sanitário. As normas referentes a tubos de concreto para esgoto trazem rigor maior nos itens relativos à permeabilidade e à absorção de água, além de limitar o teor de aluminato tricálcico a 8'Yo eespeci ficar as juntas flexíveis. Para diâmetros maiores que I OOOI11I11,OS condutos de esgoto podem ser moldados no local ou construí dos com os métodos não destrutivos, conhecidos por "SHIELD". Para diâmetros maiores que 500 111mos tubos de concreto são praticamente os únicos materiais utilizados no Brasil para esgoto. Como já foi visto anteriormente, o inconveniente do uso de tubos de concreto para conduzir esgoto é o fato de o cimento ser passível ao ataque do ácido sulfúrico. A adoção da camada de sacrificio para condutos de concreto, inclusive utilizando agregado calcário para o aumento de alcalinidade, baseia-se no fato de a corrosão se dar de forma uniforme entre o cimento e o agregado. O agregado, serviria também para neutralizar o ácido sulfúrico formado, não deixando só por conta do ataque ao cimento. Isso retardaria o avanço da corrosão. Uma outra maneira de prolongar a vida útil dos condutos é a adoção de cimento que seja mais resistente ao ataque do H2S04 e de medidas que diminuam a porosidade do concreto. A utilização de cimento Portland de escória de alto fomo ou cimento pozolânico aumenta a resistência ao ácido sulfúrico. A diminuição de porosidade pode ser conseguida aumentando convenientemente o consumo de cimento e limitando o fator água-cimento.

E ODOR EM SISTEMAS

DE ESGOTO

i' ) ~)

233

)

,

TUBOS DE PVC

,) .~o ponto de vista de resistência ao ataque de ácido sulfúrico, o PVC (cloreto de polivinila) atende aos requisitos, nas concentrações encontradas nos coletores de esgoto. TUBOS DE fERRO

') )

O ferro fundido é largamente utilizado em linhas de recalque e, mesmo em condutos por gravidade, em travessias de ferrovias e córregos, onde ocorrem altas cargas externas a pequena profundidade, em si fões invertidos ou sobre pilaretes. Em contato ?ireto. com o sul feto, o ferro fundido está sujeito à grafitização, quando os cnstais de ferro são dissolvidos para formar sul feto de ferro, deixando uma massa porosa. .A pior cOI~dição de corrosão interna ocorre quando o tubo está parcialmente cheio, pOIS, alem do ataque de sul feto, pode haver o ataque de ácido sulfúrico na parte não submersa. Caso o tubo de ferro fundido seja revestido de arzamassa de cimento e areia , b enquanto houver o revestimento nada sofrerá se estiver sempre subrnerso. Sendo uma tubulação metálica, além dos ataque vistos, há a necessidade de se verificar as condições de corrosão eletrolitica, principalmente se houver alguma corrente de fuga, por exemplo em travessia de estrada de ferro.

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TUBOS DEAÇO \

Tem a utilização para altas pressões internas. São pouco utilizados para o esgoto. Valem as observações relativas aos tubos de ferro fundido. Merecem maior atenção as corrosões eletroquimica e eletrolítica.

)

\

fUNDIDO

)

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JUNTAS I

Um item que merece atenção especial é o referente às juntas, principalmente quando há utilização de juntas flexíveis. O assentamento de tubos cerâmicos é executado tradicionalmente com juntas de material betuminoso. A SABESP tem feito experiências no interior do Estado de São Paulo com juntas rígidas de cimento e areia, com vantagens em ralação ao custo, à produtividade, à facilidade de execução e aos resultados obtido em relação à junta de material betuminoso. Ultimamente alguns fabricantes de tubos cerâmicos têm dado maior atenção também às juntas flexíveis de borracha. Os tubos de concreto, PVC e ferro fundido, além de alguns métodos construtivos não destrutivos (Shield), são atualmente assentados com as juntas flexíveis

)

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J )

234

COLETA

E TRANSPORTE

CORROSÃO E ODOR EM SISTEMAS

DE ESGOTO SANITÁRIO

DE ESGOTO

235

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feitas de vários tipos de elastômeros, comumenre chamados de borracha. A escolha de elastôrnero mais adequados para cada caso deveria receber maior atenção, em face da grande variedade existente no mercado. Há necessidade de especificar o tipo de elastômero, considerando as características dos esgotos, principalmente em regiôes industrializadas. Em alguns casos, pode se estar utilizando o tipo inadequado para um efluente específico, ou ainda especificando um produto onde não haveria necessidade. Do ponto de vista de resistência química, o neoprene é o elastômero mais resistente às substâncias que podem ser encontradas no esgoto. Todavia, nem sempre o seu uso é necessário. ESTRUTURAS

) As estruturas encontradas nos sistemas de esgoto sanitário são principalmente os poços de visita e as casas de bomba. Como ambos são feitos normalmente de componentes contendo cimento, estão sujeitos à corrosão. Do ponto de vista preventivo, a manutenção de condições aeróbias e a boa ventilação tende a diminuir os efeitosdanosos.

)

) )

REVESTIMENTOS

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O uso de revestimentos é recomendável nas estruturas sujeitas aos efeitos corrosivos. Experiências durante muitos anos com tentativas e erros com várias pinturas e revestimentos para tubos de concreto em condições de esgoto séptico têm mostrado que o revestimento deve ser perfeito para se ter sucesso. Não só o revestimento em si deve ser imune ao ataque, mas não deve permitir a difusão do ácido através da camada atingindo o material subjacente. Isto pode ocorrer nas juntas ou em pontos com falhas, mesmo efetuados na fábrica. Os revestimentos normalmente utilizados são à base de resina epóxi, em substituição aos feitos à base de betume. As condições de controle de qualidade devem ser as mais rigorosas. Deve ser dada a atenção ao preparo da superfície. condições de adesão, espessura, resistência à abrasão e problemas de sol ventes. Estes têm levado à formação de bolhas e falta de adesão. Atualmente se dispõe de epóxi sem sol vente. A tecnologia existente produz revestimentos aparentemente perfeitos para tubos, mas somente a experiência irá mostrar a efetividade em condições de alta corrosividade. No Brasil, foi feita uma aplicação de revestimentos à base de epóxi em 1973, na cidade de São Paulo, na recuperação do então chamado Emissário da Vila Leopoldina, cujas seções variam de 1,60 x 2,40 m a 1,90 x 2,80 m, numa extensão recuperada

de 8 km. Em inspeção feita com televisionamento, camento deste revestimento em alguns pontos.

após 15 anos notou-se o desta-

7.4.

ODOR E OUTROS EFEITOS DEVIDOS AOS GASES EM ESGOTO SANITÁRIO.

7.4.1.

Ocorrência

dos gases e odores característicos.

Em sistemas de coleta e transporte de esgoto sanitário, a ocorrência de gases pode ser decorrente da sua chegada aos condutos de esgoto por vazamentos de gás natural ou manufaturado, vapores de gasolina, monóxido de carbono; gases provenientes de despejos industriais; ou pela liberação de gases produzidos pelas transformações biológicas que ocorrem no sistema, em que o sulfeto de hidrogênio é o mais importante deles, e cuja geração já foi anteriormente apresentada. Dentre os produtos causadores de odor em esgoto sanitário, destacam-se as aminas com cheiro de peixe. amônia, diaminas com cheiro de carne em decomposição, mercaptanas com odor de gambá e sulfetos com odor de ovo podre. Em cidades planas, com escoamento mais lento dos esgotos e várias elevatórias, é muito comum a produção de H1S nos poços de sucção das elevatórias (Figura 7.6), normalmente localizadas dentro das zonas urbanizadas. Isto, quando ocorre é uma fonte imensa de reclamações por parte da população. Na cidade de Santos, sr, no poço de sucção de uma das elevatórias constatou-se uma geração de 2 mglf de HcS, o que obrigou a SABESP a tomar medidas para a inibição da produção desse gás. 7.4.2.

Outros efeitos dos gases no esgoto sanitário.

De acordo com Metalf & Eddy (1981), lima das conseqüências da presença de gases mal cheirosos do esgoto em sistemas de coleta e transporte, é o perigo potencial para os trabalhadores. Alguns dos efeitos que a exposição humana ao sul feto de hidrogênio pode causar são mostradas na tabela 7.1. A concentração mínima conhecida por causar morte é de 300 ppm; 3.000 ppm é rapidamente fatal. Gases inodores em sistemas de esgoto também podem ser tóxicos. Um outro efeito da presença de gases em esgoto sanitário é o perigo de explosões que pode resultar da ignição de gases, como o metano e outros mal cheirosos, que podem se acumular na atmosfera dos sistemas de esgoto sanitário.

í) .

236

COLETA

E TRANSPORTE

CORROSÃO

DE ESGOTO SANITÁRIO

E ODOR EM SISTEMAS

DE ESGOTO

\

)

,

) )

237

) Tabela 7.1 - Efeitos produzidos pela exposição humana ao ar contaminado de sultcto de hidrogênio.

Tempo e condições de exposição

Exposição prolongada, trabalho leve I a 2 horas, trabalho leve

Concentração de H2S na atmosfera do sistema de esgoto PPM (em volume) 5-1O(algumas pessoas menos) 10-50 (algumas pessoas menos)

COI11

to afluente ao poço de sucção da elevatória conforme esquema da Figura 7.6, conseguiu-se eliminar o problema de odores no local.

várias concentrações

) )

I Efeitos

pouco ou nenhum

I'!

)

) )

I I

irritações leves nos olhos e nas vias respiratórias, dores de cabeça.

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AR AFLUENTE ESGOTO AFLUENTE

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6 horas de trabal ho manual pesado

cerca de 50

I hora de trabalho manual pesado

cerca de 100

__

cegueira temporária

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)

CA/.uwAOEllt.tO COIHlUUJJ.1ENTE

'Ç;;. .'~ limite máximo sem conseqüências sérias.

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)

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DA~~

)

o

') FOI/te:

Me/cair & Erh~F (1981).

) 7.4.3.

Controle

, )

dos gases de esgoto

, ) Basicamente se aplicam aqui os mesmos procedimentos citados para o controle de sulfetos no sistemas de coleta e transporte de esgoto sanitário, que incluem: o controle na fonte do lançamento de despejos industriais que possam gerar os gases indesejáveis no esgoto; projeto adequado dos coletores e interceptores, ventilação e saída de gases para evitar o seu acumulo no sistema; aeração ou introdução de oxigênio ou peróxido de hidrogênio ou nitrato, de modo a se ter o oxigênio como receptor de hidrogênio e se evitar transformações biológicas tipicamente anaeróbias, como a de geração de sul fetos. Um exemplo bem sucedido de controle de odor é o caso da cidade de Santos, em que se observou uma geração de sul fetos no poço de sucção, de uma elevatória, de cerca de 2 mg/t de H2S, resultando em produção de odores inaceitáveis pela população. Inicialmente, a aplicação de oxigênio puro foi utilizado com sucesso, porém, com a produção de nitrato de amônio por uma indústria de fertilizantes, próximo à cidade de Santos, a custos mais atraentes, foram desenvolvidas pesquisas com esse produto para se controlar a produção de H2S, que apresentaram resultados positivos (Rossim et al., 1989). Com a utilização de dosador de nível constante e aplicando-se uma dosagem de 12,5 mg/f de nitrato de amônio ao esgo-

)

) AR Af:LUENTE

-r NiVEL

ESGOTO AFLUENTE

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)

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)

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) )

b)

) Figuru 7.6 _ a) Geração de odor pela produção de su lfcto em poço de sucção;

)

b) Aplicação de nitrato de amônia para inibir a formação de sul feto em poço de sucção.

)

)

j ) )

238

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

)

CAPÍTULO

Ainda relativo ao controle de odores na cidade de Santos, a aplicação de 12,5 mg/ fi de nitrato de arnônio ao esgoto, em pontos da rede de coleta e transporte, a montante de onde ocorria o desenvolvimento de maus odores (devidos aos H2S),

)

) ),

"

);

.

foi adequada

para inibir a formação

REFERÊNCIAS

)'

y.

de sul fetos (Rossim,

1989).

MEDIÇÃO

)

Eng". Luiz Carlos Helou (MSc)*

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-

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) )

i: • 'i.

) )

)

) ) )

) ) )

:,

~

DE VAZÃO DE ESGOTO

BIBLlOGRÁFrCAS

BOWKER, R.P.G.; SMITH, 1.M.; WEBSTER, N.A. - Odor and Corrosim Control in Sanitary Sewage Systerns and treatment Plants - Hernisfere Publishing Corp., New York, 1989.

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8.1

INTRODUÇÃO

Os escoamentos podem ser classificados em livres e forçados. Os escoamentos livres são regidos pela existência de urna superfície livre em contato com a pressão atmosférica, enquanto que, os escoamentos forçados caracterizam-se pelo completo preenchimento da tubulação e pela existência de uma determinada pressão. Os medidores de vazão em condutos forçados são largamente utilizados em sistemas de abastecimento de água e instalações de recai que (água ou esgoto). A medição de vazão em condutos forçados é geralmente feita através de um instrumento de medida instalado na linha. Alguns exemplos de medidores utilizados em condutos forçados são: venturis, ultrasônicos (por efeito Dopler e tempo de trânsito), placas de orifício, magnéticos e tubos pitot. Os medidores de vazão em condutos livres são comuns em sistemas de coleta e afastamento ele esgotos. descarga de efluenres industriais e em unidades dasEstações de Tratamento de Esgotos (ETEs). Alguns exemplos de medidores para condutos livres são: vertedores (retangulares, triangulares, circulares, Sutro etc), calhas (Parsha 1\, PaI mer Bowlus etc), magnéticos e ul trasôn icos. O objetivo deste capítulo é fornecer ao leitor, as características e os princípios de funcionamento dos tipos mais comuns de medidores de vazões, em condutos livres e forçados, utilizados em sistemas de esgotos. Para o aprofundarnento dos conceitos envolvidos no equacionamento apresentado, recomenda-se, consulta à bibliografia relacionada ao final deste capítulo.

8.2.

MEDIDORES

DE VAZÃO EM CONDUTOS LIVRES

8.2.1. Vertedores Vertedores

são estruturas

hidráulicas

simples, econômicas

) (*) Chefe

)

)

J )

8

da Divisão

de Engenharia

de Operação

da SABES/'

e provavelmente

as

() )

) 240

COLETJ\ E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITt\RIO M EOIÇAo

mais utilizadas para medições em condutos livres. Um vertedor é basicamente uma obstrução construida na seção transversal de um canal, sobre a qual se tem o escoamento. Os mais comuns são o retangular, triangular e trapezoidal ou Cipolleti. Cada tipo de vertedor está associado a uma equação que estabelece uma relação entre o nível de montante e a vazão. Alguns cuidados devem ser tomados em relação à posição que se efetua a medida de nível. O esquema geral é apresentado na figura 8. I.

DE v J\zAo

DE ESGOTO

)

241

) • canal de jusante: por onde escoam as vazões efluentes do vertedor. O nível do escoamento neste canal deve estar sempre abaixo da cota da soleira do vertedor, de forma a assegurar o escoamento livre ela lâmina. Caso contrário, haverá interferência na medição, pois a lâmina estará submersa,

8.2.1.1

Classificação

) ) ) )

dos vertedores

[( ) Os vertedorcs comuns são:

podem ser classificados

de acordo com vários critérios,

os mais I )

) a) forma:

retangulares,

triangulares,

trapezoidais

etc. I )

)

(

mínima da crista 2-3 H

=

)

3a4 H

Medição

~ .•

, )

de nível

) (a)

K

figura

K

I I

(b)

(c)

)

8.2 - Vcricdor retangular (a). triangular (b) c irapczoidal (Cipollcni) (e).

(

)

(j

K~3mlll b) Soleira: espessa, curta ou delgada. Nos vertedores de parede delgada, a veia líquida não se adapta à soleira, motivo pelo qual não serve de guia lâmina. Já nos de parede espessa, a espessura é suficiente para que se estabeleça o paralelismo dos filetes no escoamento.

)

à

,) )

j

Figura 8.1 - Esquema geral de um vcrtcdor de soleira delgada.

) ------------

Os componentes

de um vertedor, apresentados

' ..•...••' ....• _---------

na figura 8.1, são:

.............. , " ' .•...

• crista

do vertedor:

é a corrente

) .

)

é a borda superior por onde passa o líquido;

• carga hidráulica: é a altura do líquido acima da crista. interferência do escoamento sobre o vertcdor; • lâmina:

,'

,

sem considerar

(a)

de água que aflui do vertedor;

de

)

b)

Figura 8.3 - Vcrtcdorcs de soleira delgada (a) e soleira espessa (b).

• ventilação: composta de tubulação que permite que a face interior da lâmina esteja sujeita à pressão atmosférica. A ausência da ventilação em vertedores sem contração lateral, pode causar contração da veia líquida por formação pressões negativas, causando erros de medição;

)

a

\

) )

French (1987). define vertedor de soleira espessa, como aqueles em que a distribuição depressões é hidrostática e os filetes paralelos, ou seja; aqueles para os quais vale a equação 8.1.

)

J ) I)

j )

)

242

COLETA

E TRANSPORTE

MEDiÇÃO

DE ESGOTO SANITARIO

DE VAZÃO

DE lSGOTO

243

) )

?

H+~

)

0,08:0; ~:o;

(8.1 )

0,33 L

)

onde: H = carga hidráulica sobre a soleira do vertedor, m; L = comprimento da soleira na direção do escoamento,

j

111;

(a)

)

(b)

(c)

?

v)

2g

=

termo cinético

do escoamento,

111.

Figura 8.4 - Vcrtcdorcs sem contração lateral (a). com uma contração (b), com duas contrações

(c)

)

o limite

)

inferior da equação. representa o valor a partir do qual pode-se desprezar as perdas de carga pela passagem do escoamento sobre o vertedor. Abaixo deste limite, o escoamento é subcritico, e o vertedor não pode ser utilizado para medição de vazões. Para valores maiores que 0,33, não é mais possível considerar

) )

as pressões como sendo hidrostáticas Os vertedores de soleira delgada

)

)

French, aqueles

no centro do vertedor. são, ainda de acordo com a classificação

de

8.2.1.2.

Vertcdores

de soleira

espessa

Do ponto de vista construtivo, este tipo de vertedor é bastante simples de ser executado, constituindo-se, apenas, em um obstáculo colocado no fundo do canal. Boussinesq (1883) foi o primeiro pesquisador a deduzir analiticamente a fórmula da vazão para este tipo de vertedor. Assumiu as seguintes hipóteses:

para os quais tem-se:

• contração verticai completa, o que exige p > 3H; • vertedor de largura indefinida;

)

• filetes sobre a soleira retilíneos e paralelos; • distribuição hidrostática de pressões.

) (8.2) ) 'I,. -.,:>

)

~.

)

1, I'

} .,

.

li:

Lencastre (1983) define como de soleira curta, os vertedores que, não sendo suficientemente espessos para o estabelecimento de filetes paralelos e pressões hidrostáticas, também não têm arestas vivas o suficiente para que haja o descolamento da lâmina, Este tipo de vertedor, de acordo com a classificação de French,

~--

-

H p

é aquele em que:

)

)

?

v1-1+--

)

Figura 8.5 - Vcrtcdor de soleira espessa

(8.3)

i.s« 1,8

0,33:O;~:O;

Utilizando-se a equação de Bemoulli e o princípio da vazão máxima, a expressão geral, teórica, para vertedores de soleira espessa.

L

)

)

Para valores

)

escoamento

)

maiores

que 1,5, a lâmina

pode separar-se

da crista e criar um

(8.4)

instável.

c) Condição

)

trações

de aproximação:

sem contração

lateral, com uma ou duas con-

onde: Q = vazão, mJ/s; 1-1= carga, m; g = aceleração da gravidade, L = largura do vertedor, ni.

) 1

)! )

.......................

m/s';

obtém-se

(i , I

~ 244

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITARIO

MlDlÇAO DE VAZÃO

Estas hipóteses são simplificações dos escoamentos existentes, em casos reais. Experiências realizadas por Bazin, indicaram uma variação no coeficiente de vazão, dependendo da carga e da largura do vertedor, conforme pode ser visto na tabela 8.1.

8.2.1.3.

Carga hidráulica

H (m)

Coeficiente

2,0

Boussinesq também deduziu a fórmula teórica para vertedores retangulares de soleira delgada. utilizando-se o princípio da vazão máxima e com base nas seguintes hipóteses: . • filetes concêntricos em relação ao centro O (ver figura 8.6); • vertedor sem contração lateral. H

!.~ . )

f I',

)

i· ,'o

I'" ) f; ~I, ) I f·

'.

0,345 a 0,373

I

~

,•

J

r

r, r

adoradas. obtém-se a equação X.8.

~

(em unidades

SI)

(8.8.)

sendo:

3

Q

= 0.326LH"2

I

de descarga pode ser considerado constante, 8.7, onde tem-se a relação carga hidráulica e vazão.

J2g

(em unidades

SI)

(8.7)

(8.9) onde: J.1 =coeficiente de 0,63;

de vazão. com um valor determinado

versal, tais como: triangular, circular, trapezoidal, parabólica etc. O equacionamento destas formas, podem ser encontrados na referência bibliográfica, French (1987).

)

) )

;11 1-:

~:. .f

) )

experimentalmente

)

g =aceleracão da gravidade. As diferenças entre os coeficientes de vazão, resultam das simplificações adoradas e podem ser corrigidas através do coeficiente de velocidade, que é função da área de escoamento sobre o vertedor, da área de escoamento a montante e do próprio coeficiente de descarga. Os vertedores de soleira espessa podem assumir outras formas de seção trans-

)

)

,

o coeficiente

)

i~ f ~.

Nestes intervalos, resultando na equação

) )

'

~, (8.6)

H+p

)

L , I i

(8.5)

Q =CLH~ H --~0.35

)

) , I

SI)

)

(

de Cornell. sugerem coeficientes de entretanto. adora-se um coeficiente

(em unidades

c

)

)

Com as hipóteses

L

)

I·

French (1987) recomenda que as relações entre as dimensões características. devem estar compreendidos entre os limites definidos na relação 8.6.

H 0,08 ~ - ~ 0.33

I

} I

Figul'" 8.6 - Vcricdor retangular de soleira delgada.

Q = 0.35LH"2 J2g

)

li, •

p Experiências real izadas pela Universidade vazão variando entre 0.32 e 0.34. Na prática. único de 0.35, resultando na equação 8.5.

t:\

i'

Vertedores de soleira delgada

de vazão (m)

0,3 7 a 0,39

0,15 a 0,40 0,15 a 0,40

0,8

245

)

li I'

Tabela 8.1 - Variação do coeficiente de vazão. em função da largura e carga hidráulica. para vcrtcdor de soleira espessa.

Largura da soleira (rn)

DElSGOTO

)

) Assim, como nas expressões para os vertedores de soleira espessa, as simplificações adotadas por Boussinesq, conduzem a valores aproximados das vazões nas instalações existentes. Experiências empíricas, fornecem diversas expressões para o cálculo do coeficiente C que melhor ajustam aos resultados experimentais, destacando-se as seguintes; apresentadas no sistema internacional (SI).

.'

) ) )

(

)

) ) I

)

j ) )

246

COLETA

E TRANSPORTE

DL ESGOTO S,\NITARIO

MEDIÇÃO

DE V /\ZÀO

DE ESGOTO

247

) • Determinação

a) Fórmula de Bazin

)

)

da vazão l/e ar parti ventilação

Howe (1955) propõe a expressão (8.14) para a determinação necessária para que não haja depressão da lâmina.

)

da vazão de ar

(8.11 ) 3

)

q,",= *q[~J2 Y

com H;::: 0,05 m.

0,1

(S.14)

p

) b) Fórmula de Rehbock ) )

c = ~ [0,605

+

3

)

lJ2i

I + O,08H 10501-1-3 P J

onde: q = vazão por metro de soleira, m)/m/s; H = carga hidráulica, m; Yp = é dado pela expressão (S.15). onde I'::,.zé altura da crista do vertedor em relação ao canal de jusante, 111.

(8.12)

j c) Fórmula de Francis

)

Y

)

c = UDS[I

)

= I'::,.z( q2 JO'22

(S.15)

gl'::,.z

+0,26(~J2] H +p

)

• Disposições construtivas

)

d) Fórmula da Sociedade

); ,

Suíça de Engenheiros

I 1. ) I

} ,: I

i'

.

C

.'

= 0,41

(

I -1-

í

(SI AS) (1947)

í p) 2] .j2g

I H I + 0,5 -I000 H + 1,60) \. H -I-

[

e Arquitetos

2g

(S.13)

) : 'li '.' )

1

I

.

"

com contração

lateral,

em que a largura

menor que a largura do canal (L), utiliza-se a correção consideração que cada contração reduz o comprimento Neste caso, o comprimento efetivo «clCli',.) será:

) ) i

Para vertedores

do vertedor

(fl.)

é

de Francis, que leva em em 10% da carga (H).

Recomenda-se, para vertedores retangulares largura mínima de 0,30 m. Para dimensões menores, as medições realizadas com vcrtedores triangulares são bem mais precisas. Na prática, são comuns os vertedores de até 3m de largura, entretanto, a partir de 2 m de largura, as condicionantes para o emprego desta forma de medição são de ordem econômica. Os vertedores com contração lateral, apresentam a vantagem de não necessitarem da ventilação, pois a própria contração lateral permite a ventilação da face interna da lâmina, desde que, a distância ao lado do canal seja, no mínimo, O dobro da carga máxima esperada.

I

) a) para uma contração

)

I'dCli'''=

lateral

t- O, I H

)

)1

]-]IlIó1'

b) para duas contrações (!ereli',,= (i-

laterais

0,2 H

)

)

~I )

Para a determinação mente

com (Ieli,,",

de vazão, podem ser utilizadas as equações

citadas anterior-

Figura 8.7 "Co'ndicionantes

geométricas para vcrtcdor retangular com dupla contração lateral

I) )

Ir 248

i'vIEDIÇAo

COLI.:TI\ E TRANSPORTE DE I.:SGOTO Si\i'!ITÁRIO

deve estar compreendida entre 3 e 6 rum, para jusante, sendo que, neste caso, a espessura da borda reta deverá ser menor (ver figura 8.1). Contudo. deve ser evitada a forma afilada de crista (chanfrada de ambos os lados) pois é de difícil manutenção. A borda reta a montante é imprescindível.já que cantos arredondados provocam uma redução na carga hidráulica, alterando assim as medições. A espessura

da crista do vertedor

(em unidades

devendo ter uma borda reta ou ser chanfrada

>

249

(8.16)

I:

)

\

!~ , A equação (8.16) deve ser corrigidaatravés apresentado na figura 8.9.

de um coeficiente

de descarga

)

C,

)

) I"

Coeficiente C de correção para vertedores triangulares

II

)

I

)

,. I I

0.596 0.594

i

0.592

!

0.590

)

0.588 C

I

0.586 0.584

8.2.1.4.

SI)

DE ESGOTO

I

As paredes do vertedor devem ser verticais, lisas e perpendiculares ao eixo do canal. O contato entre as paredes do canal e o vcrtedor deve ser completamente estanque, evitando-se assim. as fugas de vazões. O canal de aproximação deve ter um comprimento mínimo de 20 vezes a carga máxima e dec1ividade baixa ou nula. Sua seção transversal deve ser, no mínimo, oito vezes a da lâmina no ponto logo a jusante da crista. de forma a minimizar as velocidades de aproximação. /\. medição de nível deve estar distante da crista. em pclo menos, três vezes a carga máxima esperada a montante,

DE v/\zAo

)

,

!

)

!' (

)

li

,..

0.582

Vertedores triangulares

)

0.580

Este tipo de vertedor apresenta uma seção em forma de triângulo. O ângulo central (a) do vertedor mais comum é o de 90". sendo uimbém utilizados ângulos de 22" 30' . 30", 45°, 60" e 120". Este tipo de vertedor é muito empregado em medições de vazões menores que 30 Us, já que sua precisão é bastante grande para estas vazões, porém, mesmo para vazões superiores a 300 fls, ainda apresenta aproximações razoáveis.

r

0.578

)

I'

0.576

30

20

40

50

60

70

80

90

100

ângulo em graus

Figura H.9 - Valores do coeficiente de descarga C em íunçâo

do ângulo a. Fonte: l.encastrc (/983).

)

"

I: ~ i~'

,F ./

a 8

Q=C-tu(15 '"

)

a'c. 2

) )

\',

,

H2

)

í

li ~

"Lg

(8. I 7)

,.",

(

I

I

II

Além disso, de acordo com 80S (1976), a carga (H) deve ser substituída pela carga efetiva dada pela equação (8. I 8). Nessa equação, K, foi obtido experimentalmente em função do ângulo a, e pode ser obtido através do gráfico da figura 8. 10.

) I

)

He= H + K"

(8.18)

)

Figu ra 8.8 - Esquema do vcncdor triangular

Para os vertedores mais comuns com ângulo de 90" é muito utilizada a fórmula de Thompsorn, que para unidades do Sistema Internacional (SI) é dada por: A equação teórica que representa Francis, em 1883. e é dada por:

a vazão em função da carga foi deduzida

por

)

)

Q = 1,42H2

(8.19)

)

')

') ) )

MEDiÇÃO

DE '!.,I\ZÀO DE ESGOTO

251

) Tabela 8.2. V~zões máximas e minirnas para vcncdorcs vcrucc

Parâmetro de correção da carga (Kh)

) 3

)

r···

..···..··· ..···· ·························· ··..··

;

,

,

triangulares

com diferentes

ângulos do

,

Angulo Vazão mínima (Us) Vazão máxima (Pís)

)

n"

) 2

) )

30' 30"

0,242 0"19 ,_L

45"

0,504

60"

0.703

222

90° 120"

1,22 2,11

385 667

FOJ/le:

) )

o : ~ .

~

. ~.

.

..~

Lencastre, 1983

8.2.1.5

.__ ..

76 " ,104 159

Vertedor

Trapezoidal

(Cipolletti)

---.1

) O

W

~

~

)

~

100

1W

Ãngulo em graus

)

Figura

8.10 - Valores de K" em função do ângulo

fi

do vcricdor.

FOI//e:

l.encnstrc (/983).

), ), i

Pesquisas

mais recentes

apontam

a equação abaixo como sendo mais apropria-

da que a de Thompsom:

J;

3

)i '

Q

I'

)

I'

,

.'

-.

; 'I"

li

)l ,. I

JI

·:1~.".' ,

)I '

~I;, )i

;I

Q =1.38H

com: • Disposições construtivas

)

(8.22)

Existem alguns problemas relacionados a ângulos muito fechados, dentre os quais pode-se citar a di ficuldade de se produzir a geometria exata do vértice e o efeito de capilaridade, que pode restringir a utilização do vertedor a cargas altas. Assim como os vertedores retangulares, a distância mínima das paredes do canal a qualquer extremidade do vertedor deve ser o dobro da carga hidráulica máxima. Recomenda-se que a carga mínima sobre o vertedor seja de 6 mrn para se evitar a aderência da lâmina à crista do vertedor. A carga máxima também deve ser limitada a cerca de 0,6 m para assegurar a precisão das medições. A tabela 8.2 considerando-se

)

(8.20)

2

indica as diversas

)

(8.21 )

=CLH2

.'1' ..

!~

1

)

Os vertedores trapezoidais têm em geral a forma de um trapézio isósceles com a base menor na parte inferior. O tipo mais utilizado é o chamado vertedor CipolIetti que apresenta inclinação dos lados de I(H):4(V),Neste tipo de vertedor a inclinação dos lados apresenta a vantagem de compensar a contração lateral do vertedor retangular de mesma largura. Nestas condições pode ser utilizado o mesmo equacionamento empregado para vertedores retangulares dado por:

vazões

máximas

as restrições

acima.

e mínimas

para os vertedores

mais comuns,

_ e o coeficiente

~t

pode ser adotado

como sendo 0,63, para os limites de aplica-

çao deste upo de vertedor. Os limites de aplicação do vertedor CipolIetti são os mesmos indicados para o vertedor triangular, ou seja carga entre 0,06 e 0,60 m, A tabela 8.3 indica as vazões máximas e mínimas para vertedores Cipolletti de vários comprimentos de crista (L)

MEDIÇÃO

252

COLETA

E TRANSPORTE

DE VAZÃO

DE ESGOTO

DE ESGOTO SANITÁRIO

253

e a equação do vertedor é: I',

Q = ~ L(H - b)J2gb 4

(8.24)

. PI I" i'!

I· I

~ rn..~---+l---+l2H",. L

x

~

I

!I

li'

!'I

j

!!

:;;

z'

)

,

I!

,,..

)

b

) Figul"U 8.11 - Vcrtcdor trapczoidnl tipo Cipollcui

Tabela

1l.3 - Vazões

primentos

máximas

e mínimas

L para vertedores

Cipolletti

com diferentes

com-

Figura

8.12 - Forma do vertedor tipo Sutro Simétrico

da crista Tabela 8.4 - Valores de

xlL e z' /b

para vertedor Sutro simétrico

I'

/

i:

8,20 10,9 13,7 16,4

0,3 .004 0,5 0.6 0,8 1,0 1.5

21,9 27.3 41.0 54,6 82,0

2,0 3.0 Follfe:

Graiu

&

DIIII'.wJ/I.

32,4 66,5 116 183 37ô 657 1810

3720

z'!b

xlL

z'!b

xlL

z'!b

xlL

z'!b

xlL

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,805 0,732 0,681 0,641 0,608 0,580 0,556

0,8 0,9 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

0,536 0,517 0,500 0,392 0,333 0,295 0,268

6,0 7,0 8,0 9,0 10 12

0,247 0,230 0,216 0,205 0,195 0,179 0,166

16 18 20 25 30

0,156 0,147 0,140 0,126 0,115

14

Fonte: Lencastre, 1983

10.200

19<)5

fI I

ki I: I

) j

I

I

11

)

1'::11 I·

,11

,

il' ; I,

,

)

i,

I

;11 1':1

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8.2.2 Calhas

)

8.2.1.6.

Vertedor Sutro ou proporcional

8.2.2.1

Introdução )

Neste tipo de vertedor a forma da seção é tal que a vazão é diretamente proporcional à carga hidráulica. A equação da curva deste tipo de vertedor é dada por:

x ( 2g 'L= l-;t

-.I[ fb'. R'))

(8.23)

Outra maneira, bastante comum de se medir vazões são as calhas. Constituemse em redução de seção do canal, seja por redução da largura e/ou por sobrelevação do fundo. Geralmente, uma calha é constituída por uma seção restrita de aproximação (convergente), uma garganta e uma ampliação (seção divergente) de concordância com o canal, conforme é indicado na figura 8.13. O emprego deste tipo de medidor é indicado em canais onde não é possível a colocação de vertedores. Com elas é possível medir vazões maiores que as consegui das com vertedores de mesma largura, apresentando ainda a vantagem de

) )

I

J

I

)

, ) I

)

') ) )

254

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

MEDIÇÃO

SANITÁRIO

DE VAZÃO

255

DE ESGOTO

)

) )

) garganta

)

Seção divergente

)

CORTE A-A

A

\

/

Figura

)

8.13 - Configuração

geral de calhas

c

)

que a perda de carga é menor que a de vertedores Porém, a grande vantagem da utilização das calhas em sistemas de esgotos é a ausência de obstrução do fluxo e o fato de ser auto limpante, o que não causa problemas de sedimentação. Apresenta como desvantagem em relação aos vertedores seu custo relativamente maior. -.As calhas apresentam algumas restrições construtivas:

)

) ) )

PLANTA Figura

)

• Devem estar localizadas em um trecho retilíneo do canal, sem que hajam curvas imediatamente a montante. • O escoamento de aproximação não deve apresentar ondas ou turbulência acentuada.

) ), I,

8.14 - Principais

dimensões

da Calha Parshall. Fonte: CETESB NORMA E2.150

Tabela 8.5 - Tabela para dimensionamento

da Calha Parshall

i'"

) i ~, . 1

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Ln

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li

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8.2.2.2.

Calhas Parshall

Os medidores Parshall foram desenvolvidas na década de 20 para utilização em sistemas de irrigação. Seu uso se expandiu e atualmente é largamente empregado em medições de vazão em sistemas de esgotos domésticos, industriais e em unidades de ETEs. Da mesma forma que para os vertedores, analisados anteriormente, estabelece-se uma relação entre a carga hidráulica e a vazão. O dimensionamento é feito, através da norma E2.150 da CETESB - Medidor Parshall por meio da largura da garganta (W), que fornece a largura nominal da calha. A ISO 9826 (Intemational Standard - Measurement of liquid flow in open channels Parshall and Saniri flumes) recomenda a instalação da calha Parshall em trechos retos de canal de aproximação com declividade constante e comprimento de 5 a 10 vezes a largura da lâmina d'água na máxima vazão. Recomenda-se, também, que o trecho de jusante tenha pelo menos 10 vezes a largura da lâmina para vazão máxima. A figura a seguir apresenta as dimensões normaliza das.

W

A

B

C

D

F

G

M

P

o., o.,

7

7,6

46,7

45,7

17,8

25,9 15,2 30,5

30,5

76,8

0,8

15

15,2

62,1

61,0

39,4

39,7 30,5 61,0

30,5

90,2

1,4

57,5 30,5 45,7 84,5 61,0 91,4

30,5

108,0

2,5

252,0

38,1

149,2

3,1

455,9

38,1

167,6

4,2

696,6

38,1

185,4

11,9

937,3

22

22,9

86,4

38,1

30

30,5 137,2 134,3

61,0

45

45,7

144,8 134,3 61,0 152,4 149,5

76,2 102,6 61,0 91,4 91,4 149,9 61,0 91,4

60

88,0

53,8 110,4

91,5 167,6 164,5 121,9 157,2 61,0 91,4 120 121,9 182,9 179,4 152,4 193,7 61,0 91,4

45,7 271,1

36,8 1922,7

150 152,4 198,1 194,3 182,9 230,2 61,0 91,4

45,7

308,0

45,3 2423,9

180 182,9 213,4 209,2 213,4 266,7 61,0 91,4 210 213,4 228,6 224,2 243,8 303,2 61,0 91,4 240 243,8 243,8 239,1 274,3 339,7 61,0 91,4

45,7

344,2

73,6 2930,8

45,7

381,0

85;0 3437,7

45,7 417,2

99,1 3950,2

90

Obs. medidas em em, vazões em

tts. Fonte:

Normalização

E2./50

38,1 222,3· 17,3 1427,2

-CETESB

256

MEDIÇÃO DE VAZÃO DE ESGOTO

257

COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

o equacionamento

As calhas Parshall obedecem equações do tipo:

da vazão, para esse tipo de calha é dado por Streeter (1974):

o~r r 3

(8.25) onde: Q H

= vazão

Q=

2,9{

Y, - z +

3

em m /s = é carga na seção convergente em m

A Norma CETESB E2-150 fomece equações de acordo com a largura nominal

Q'

(em unidades SI)

(8.26)

A equação anterior é resolvida através de métodos numéricos. Experiências práticas tem mostrado erros da ordem de 2 a 3% no uso desta equação.

Ln' segundo a tabela 8.6. ) Tabela 8.6 - Equações da Calha Parshall de acordo com a largura nominal Ln

t

D

D

l___

Equação da vazão Q(m3/s), W(m) e H(m) 7 15 22 .30 a 240

a.

A

)

a.

I

Q = O, l765'H1,547 Q = 0,38l'H1,58 Q = 0,535'H1,53 Q = 2,397·WI,026·HI,568

2

V /2g

L

j:

Planta trpica

----------~-~---------~---~----------

I

i

t

I

ii

Fontei Nonna CETESB E2.150

z

8.2.2.3.

medidor Palmer-Bowlus consiste numa garganta de seção transversal trapezoidal uniforme, com comprimento aproximadamente igual ao diâmetro do tubo onde o medidor é instalado, onde ocorre o escoamento em altura crítica, com filetes paralelos. É, de fato, uma adaptação do medidor Venturi convencional, diferindo-se pelo fato de não haver necessidade de queda ao longo do perfil interior. Os fatores característicos do escoamento são fundamentais para o dimensionamento da calha, a saber: • velocidade de aproximação mínima de 45 crnls; • a submergência é um fator limitante da altura máxima da lâmina a jusante do dispositivo para o qual o fluxo livre possa ser mantido. Será a razão entre a altura da lâmina a montante e ajusante do medidor; • a declividade do canal não apresenta relevância na restrição do medidor.

) )

i

l~i )

Calhas Palmer-Bowlus

o

)

I,'.

Corte A-A Figura

8.2.3.

8.15 - Esquema Típico de uma calha Palmer-Bowlus,

sendo

a. o ângulo

de concordância.

Medidores Área x Velocidade

Este tipo de medidor tem sido empregado com muita freqüência. Consiste em duas medições simultâneas: profundidade do escoamento, necessária para se obter a seção transversal do fluxo e velocidade média. A vazão, então, é obtida pelo produto dessas duas medidas, conforme pode ser visto na figura 8.16. Para a medição da velocidade podem ser empregados três tipos de medidores: efeito Doppler, eletromagnético e de tempo de trânsito. A medição de profundidade pode ser feita através de medidores ultrassônicos de nível ou por meio de medidores de pressão no fundo da seção de medição. Alguns tipos de medidor, apresentam estes dois sistemas, fomecendo medições redundantes. Assim, quando há uma diferença entre ambos os valores maior do que um nível aceitável (em geral 10%), há a indicação da necessidade de interven-

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)

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) ) MEDIÇÃO DE VAZÃO DE ESGOTO

)

258

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Q=AxV

) ) )

Figura

)

ção para eliminação de problemas tais como: formação de espuma na superficie livre, que altera a medição por ultrassom ou início de incrustação no medidor de

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i

I

) I

) I 1; I

I,·,'. 'I: .

I

.

8.16· Equação da continuidade

,

.'1'·

das partículas em suspensão. A vantagem desse tipo de medidor em relação aos verte dores e às calhas é a facilidade de instalação e a possibilidade de se mcdir vazões em seções com qualquer geometria (não necessariamente regulares), uma vez conhecida a curva cotaárea, Além disto, este tipo de medidor fornece o diagrama de velocidades na seção . Isto toma possível análises de confiabilidade da escolha do local de instalação, já que perfis deformados indicam locais inadequados à medição de vazão. Existe ainda a possibilidade de se medir vazões no caso de inversão de escoamento. Uma outra vantagem desse tipo de medidor, em relação à equação de Manning, é que não há a necessidade de se conhecer a priori a rugosidade do canal.

8.2.3.1.

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) )

I

... ... ()

Partículas ou bolhas de ar

Sensor de área x velocidade

Vazão

~~

I

~~

Figura 8.17 . Esquema de funcionamento Measurement Handbook

__

~·:.::.::.::....·'·{cl

de um medidor Doppler. Fonte: Isca Open ChannelFlow

Efeito Dopller

o medidor

por efeito Doppler utiliza-se do efeito do mesmo nome. Baseia-se no fato de que a freqüência do som é alterada pelo movimento da fonte do som em relação ao observador. Um sensor é disposto no fundo do canal e emite freqüências que atingem bolhas ou partículas em suspensão no fluido. O sensor, então, detecta a freqüência das ondas refletidas, produzindo assim, um espectro de freqüências das ondas refletidas, que depende da proximidade das partículas, seu tamanho, elasticidade e concentração,

)

A pri~cipal desvantagem nesse tipo de medidor é que ele não pode ser utilizado para medições. de vazão em canais de água limpa, a não ser se que adicione um ~or~ulhador a jusante do ponto de medição. Experiências de laboratório (IPT 1999) indicam que o erro nas medidas de vazão podem chegar a 50% em caso de ausência ~e !ólidos e:,n suspensão ou bolhas de ar. Seu uso predominante é portanto, a medição de vazao de esgoto ou canais naturais. ' Outra consideração importante, é o fato de que se assume a velocidade das partículas em_sus~ensão c~m~ a mesma do es~oamento. Neste sentido alguns tipos de efluente nao sao suscetíveis de serem medidos por este tipo de equipamento já que podem absorver ondas ultrassõnicas, mascarando os resultados, o que é comum para efluentes muito densos. Isto apresenta também outro inconveniente já que, para efluentes de densidade muito variável, há necessidade de se ter diversas c~rvas de calibração. Uma circunstância em que isto acontece é a infiltração no sistema de coleta e afastamento de esgotos em períodos chuvosos.

pressão, instalado no fundo da seção, A precisão das vazões é então função de ambas as medidas: velocidade e nível. De um modo geral, as pesquisas recentes têm mostrado que são comuns incertezas da ordem de 10%, desde que se respeitem as condições adequadas à instalação dos equipamentos, quais sejam, localização dó equipamento em seção reta e distante de curvas, baixa variação das concentrações e faixa restrita de variação dei tamanho

)

259

COLETA ETRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

8.2.3.2.

Eletromagnéticos

Esse tipo de medidor, também tem grande aplicação prática. Baseia-se na lei de Faraday que estabelece que um condutor movendo-se num campo magnético produz uma voltagem proporcional à velocidade do condutor. O funcionamento do equipamento baseia-se na instalação de uma sonda que produz um campo eletromagnético perpendicular ao escoamento que induz uma voltagem no fluido que o atravessa, já que este possui uma condutibilidade que lhe

(....o...,

260

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

MEDiÇÃO

é característica. A diferença de potencial é proporcional à velocidade do escoamento que atravessa o campo magnético. A polaridade dessa voltagem indica a direção da vazão. A figura 8.18 mostra o esquema de instalação de um medidor eletromagnético ..

DE VAZÃO

DE ESGOTO

261

D

------------------------------Campo magnético Figura

Eletrodos

Figura

8.18 - Esquema de instalação de um medidor eletromagnético. Flow Measurement Handbook

Fonte: Isco Open Cliannel

o fato de os eletrodos estarem expostos ao escoamento pode causar problemas de limpeza e calibrações constantes. Outro problema, relacionado desta feita ao princípio de funcionamento, é o de que trabalha-se com um perfil de velocidades correspondente a um escoamento plenamente desenvolvido em regime permanente. Para os casos mais comuns encontrados em sistemas de esgotos sanitários, o escoamento é variável, acarretando incertezas nos resultados. Uma vez que a condutibilidade do fluido é a variavel na qual se fundamenta a Lei de Faraday, esgotos com grandes quantidades de óleos, gorduras ou graxas, que são isolantes elétricos, não são adequadamente medidos por este tipo de equipamento. 8.2.3.3.

Tempo de trânsito

O tempo de trânsito é baseado no princípio de que o pulso sonoro, viajando na direção diagonal ao escoamento será acelerado pela velocidade do líquido se estiver no sentido de montante para jusante e desacelerado na direção contrária. Desta forma, este tipo de medidor aplica-se também a escoamentos em que há poucas partículas em suspensão. A figura 8.19 mostra dois transdutores montados, formando um ângulo e com a direção do escoamento. Ambos emitem sinais ultra-sônicos simultâneos e os recebem com uma defasagem de tempo Êlt. medem o tempo de trânsito de pulsos sonoros entre os dois transdutores nos sentidos de montante para jusante e de

8.19 - Medição de velocidade por tempo de trânsito. Measurement Handbook

Fonte: Isco Open Channel Flow

jusante para montante. A velocidade é determinada através do tempo de trânsito, da distância entre os transdutores e do ângulo 8 com o escoamento. Considerando-se c, a celeridade do som no meio fluido e V, a velocidade do escoamento, então as velocidades de propagação dos pulsos ultra-sônicos de 1 para 2 e de 2 para 1 serão respectivamente: VI_2 = C

-

Vcos8

(8.27)

V2_1 =c

+ V cose

(8.28)

A estas velocidades, correspondem tempos de trânsito TI_2 e T2_1, dados por:

(8.29)

T2_1

L V2_1

=--

(8.30) )

e

)

ÊlT = T

_T 2-1

= 1-2

2V Lcos8 _ 2V L cos8 (c2 _ V2 cos2 8) c2

)

(8.31 )

A aproximação feita na expressão anterior é possível visto que a celeridade do som no fluido é muito maior que a velocidade do escoamento, que pode ser então desprezada no denominador. Resulta então:

) )

) .1

I

) )

) ) )

MEDIÇÃO

262

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

DE VAZÃO

DE ESGOTO

263

SANITÁRIO

)

1800

)

v

)

c2~T L~T C2 L~T 4 2 Lcosê = 2cose L2 = 2 cose (TI-2 + T2_I)2

2L~T

r-...: '

1600

(8.32)

"

i)

D onde: L = --e é a distância entre os transdutores (m) e D é a largura do sen canal (m),

) )

;[ 1200 o ~ 1000

)

~ T é a diferença de tempo entre os trânsitos nos dois sentidos (s),

800

)

T_

600

I2

)

e T2_1 são os tempos de trânsito entre os transdutores (s).

)

Os medidores de tempo de trânsito são utilizados para medições em canais e dutos de grandes dimensões. Contudo, este tipo de equipamento deve ter locação e alinhamento precisos, tomando-os mais dificeis de instalar que os equipamentos Doppler e eletromagnéticos. Outra desvantagem deste tipo de sistema é a de que grandes quantidades de ar ou de sólidos em suspensão podem produzir alterações

)

na medição.

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1400

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~

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\

-.

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400 14,00

\

~

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't- ...... 16:00

15:00

17:00

18:00

19:00

horário (h:min)

- •• Ultra-sônico

Figura 8.20 - Comparação

-

- Magnético -

Vertedor

entre medidores instalados na ETE Pinheiros.

)

, 8.2.3.4.

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11'

Aplicabilidade

dos medidores área-velocidade A tabela 8.7 faz a comparação dos três tipos de medidores de área x velocidade:

Dois medidores, um ultra-sônico de efeito Doppler e outro eletromagnético, foram comparados em condições de campo no canal de esgotos tratados da Estação de Tratamento de Esgotos de Pinheiros, durante uma semana. Os resultados das medições foram comparados aos obtidos por meio de um vertedor retangular de soleira delgada. O efluente, tratado em nível primário apresenta uma concentração de sólidos em suspensão de cerca de 100mg/e. Verificou-se que o medidor eletromagnético apresentou um erro sistemático, com um desvio negativo em relação às medições efetuadas através da leitura dos níveis do vertedor. Já o medidor ultra-sônico não apresentou erro sistemático, tendo a vazão oscilado cerca de 5% em relação à vazão medida através do vertedor. Ao final do período de medição verificou-se um aumento no erro em relação ao padrão do vertedor, que chegou, em certos períodos a 100%. Estes erros podem' refletir alterações tanto na medição de nível quanto na de velocidades, ocasionadas por incrustações devidas ao fato de estar operando com esgotos que, embora já estejam tratados, sempre apresentam este tipo de inconveniente. Os resultados das medições estão apresentados no gráfico seguinte.

Tabela 8.7 - Comparação

entre medidores de área x velocidade.

Tipo de medidor Parâmetro Doppler

Não aplicável a fluidos isolantes

Condutividade

Se não houver , sólidos em suspensão

Dimensões do canal Variação de concentração "

<2%

>2%

Sólidos em suspensão

Utilização de bolhas

Eletromagnético Tempo de trânsito

Nível d'água no canal (m) Variação de velocidades (mls)

------------

------------

Quaisquer

Quaisquer

Grandes dimensões

Baixa

Qualquer

Qualquer

0,8< h<5,00

0,8
0,8< h<5,00

0,3
O,3
O,3
264 8.3.

COLETA

E TRANSPORTE

Medidores

DE ESGOTO

SANITÁRIO

MEDIÇÃO

DE VAZÃO

DE ESGOTO

265

de vazão em condutos forçados

8.3.1. Medidor Venturi

o medidor Venturi constitui-se em uma peça instalada em uma linha de um conduto forçado. Esta peça possui três regiões definidas: • a seção de montante, convergente, dotada de anel piezométrico para tomada de pressão, • garganta, também dotada de anel piezométrico, • a seção de jusante, divergente onde se faz a concordância com a tubulação. No escoamento do tubo para a garganta a velocidade aumenta (a seção diminui) e consequentemente a pressão diminui de tal forma a manter-se a carga na seção de controle. Pode-se deduzir analiticamente a equação para a determinação da vazão em um medidor do tipo Venturi, por meio da aplicação direta do teorema de Bemouli. A expressão para a determinação da vazão é dada por:

Figura 8.21 - Esquema típico dos medidores Venturi. Fonte: Strecter (1974).

(8.33) 8.3.2.

I

,

onde: O coeficiente C, é obtido através de ensaios de laboratório ou por calibração em campo. doe di são as densidades do líquido manométrico e do fluido, respectivamente. DI e D2 são respectivamente os diâmetros das seções de montante e da garganta. R' é a diferença de cotas entre os níveis no tubo, conforme a figura 8.21.

Outros sistemas de medição em condutos forçados

Os sistemas de medida baseados em medições eletromagnéticas e ultra-sônicas, podem ser empregados tanto em condutos forçados como em condutos livres, já que se utilizam da equação da continuidade para o estabelecimento da vazão. Assim, seu emprego para medidas de vazão em condutos forçados é similar ao já exposto nos itens 8.2.3.1 e 8.2.3.2 . Os sistemas de esgoto, como já foi frisado anteriormente, são na grande maioria dos casos, constituídos por condutos livres. Os condutos forçadas fazem parte apenas das instalações de recalque ou em alguns casos particulares de unidades de ETEs. Por este motivo os sistemas de medição em condutos livres foram enfocados com maior ênfase. Espera-se que este pequeno levantamento dos diversos tipos de medidores possa ser útil para aplicações práticas da operação de sistemas de esgotos. Recomendase também a consulta à bibliografia para o aprofundamento dos conceitos envolvidos no equacionamento.

~ ) )

266

)

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANlT ÁRIO CAPÍTULO

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'I'

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efluentes em Canal Aberto, Relatório,

)\

)I )\ )1 ) ) )

)

\

) )

i

!

!

1 e 2, Centro

SANTOS, C. et a/o - Relatório Técnico Parcial: Definição de Procedimentos para Medição de Águas Servidas e Esgotos. Relatório IPT, fev. 1999. '

) 1'"

Geral, 3' ed., volumes

tecnológico de Hidráulica, 918 p, ROWSE, A.A. - Measurement of Flow in part Filled Sewer Pipes Using the Electromagnetic Technique, International Conference on Planning, Construction & Operation of Sewerage Systems, Paper J5, sep, 1984

.

9.1.

INTRODUÇÃO

~odas as v:z~s que por algum motivo não seja possível, sob o ponto de vista t~CnICOe econorrnco, o escoamento dos esgotos pela ação da gravidade, é necessáno o uso de Instalações que transmitam ao líquido energia suficiente parar garantir tal escoamento. Essas i~stalações denominam-se, genericamente, "estações elev~tórias de esgotos" ou sIm?lesmente "elevatórias de esgotos", objetivando a transferência dos esgotos a partir de um ponto para outro de cota normalmente mais elevada . ,Tais elevatórias ~evem ser projetadas com concepção adequada para cada caso, utrhzand~-se conv~~entement: equipamentos e métodos construtivos para que seus custos sejam os mimrnos possíveis, sem perda de eficiência.' As estações elevatórias de esgotos são necessárias, em princípio, nos seguintes casos: r

B.D., 1995 - lsco Open Channel Flow Measurement

Handbook, Isco, 535 p. HELOU, LC. _ Avaliação dos Medidores de Vazão no Canal de Esgoto Tratado da ETE

)

9

- Medição de vazão de

• em t~rrenos planos e extensos, evitando-se que as canalizações atinjam profundidades excessivas; • ~.ocaso de esgotamento de áreas novas situadas em cotas inferiores àquelas ja executadas; • reversão de esgotos de uma bacia para outra; • ~ara descarga_ em interc~ptores,. emissários, ETEs ou em corpos receptores, quando nao for possível utilizar apenas a gravidade.

1997.

É indi:pensá;el, .entretanto, o prévio estudo comparativo entre o projeto de uma estaçao elevatona e outras soluções tecnicamente possíveis considerando-se os cust~s relativos à construção, operação, manutenção, conse:.vação e garantia de funcionamento do sistema. Ficando comprovado, por tais estudos, não ser possível ou recomendável o esgotamento por gravidade, a alternativa de elevatória deverá ser adotada.

--------------------------

••••••••••••••••••

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I

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I

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268

I , I

9.2.

I

11 ;! .

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COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

ELEV ATÓRIAS

SANITÁRIO

9.3.

PERÍODO DE PROJETO

• vida útil das instalações e equipamentos, e rapidez com que se tornam obsoletos; • maior ou menor dificuldade de ampliação das instalações; • população futura: características de crescimento; • taxas de juros e amortização do financiamento; • nível econômico da população atendida; • facilidades ou dificuldades na obtenção de financiamento; • funcionamento da instalação nos primeiros anos, quando trabalha com folga.

)

VAZÕES DE PROJETO

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I

• dos aspectos econômico-financeiros ligados aos custos de implantação dos equipamentos e dos custos de operação e manutenção; • das características de evolução das vazões, durante o período de alcance do projeto; , • das características de segurança e confiabilidade de operação dos equipamentos e da fonte de energia utilizada na estação de bombeamento; • das etapas de implantação da linha de recalque; • da vida útil dos equipamentos, comparativamente à vida útil das tubulações.

269

• vazão média de início de plano ou de etapa; • vazão máxima de fim de plano ou de etapa.

A fixação de valores de vida útil é de dificil avaliação, devido à multiplicidade e complexidade dos fatores intervenientes. Valores de vida útil normalmente considerados são:

Para o projeto das estações eIevatórias é comum utilizar o período de projeto de 20 anos que, praticamente, coincide com o período de financiamento das obras. Sempre que necessário, deve-se fazer uma criteriosa avaliação econômico-financeira para se estabelecer o período de projeto, principalmente, em instalações de grande porte. Uma vez definido o período de projeto, é de fundamental importância se estabelecer as etapas de implantação dos equipamentos de bombeamento que, basicamente, dependem:

SANITÁRIO

O cálculo das vazões contribuintes constitui um dos principais problemas com que se defronta o projetista, durante a elaboração de um projeto de elevatória de esgotos. Os elementos que influem nessa determinação são de tal ordem complexos ~ aleató:ios que, se não forem convenientemente interpretados e avaliados, podem interferir no funcionamento hidráulico do sistema. Para a avaliação dessas vazões, deve ser realizada uma cuidadosa investigação sobre as áreas que contribuem para a elevatória, nas diversas etapas do projeto, bem como, o regime de variação de tais vazões ao longo do dia mais desfavorável. Há duas vazões que devem ser consideradas para o projeto das elevatórias:

Os seguintes fatores limitantes do período de projeto devem ser considerados:

• tubulações - 50 anos; • equipamentos de bornbeamento - 25 anos; .• edificações - 50 anos.

DE ESGOTO

Cada uma dessas vazões tem função específica no dimensionamento da elevatória. A vazão máxima tem a finalidade de fixar a capacidade de recai que das bombas e, a partir da capacidade máxima dos conjuntos, determinam-se as dimensões mínimas do poço de sucção, de maneira que o intervalo das partidas não afete os motores . A vazão média de início de plano, por sua vez, é utilizada para calcular as dimensões máximas do poço de sucção, de modo que o esgoto não permaneça por demorados períodos, para evitar sua septicidade. BOMBAS UTILIZADAS EM ELEVATÓRIAS

DE ESGOTO

As bombas comumente utilizadas para o recalque de esgotos são:

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Bombas Centrífugas )

São caracterizadas por possuírem um elemento rotativo dotado de pá (rotor), que fornece ao líquido o trabalho mecânico para vencer o desnível necessário. A bomba centrífuga é composta fundamentalmente de duas partes: o rotor e a carcaça. As pás do roto r impulsionam o líquido em direção à carcaça, proporcionandolhe um acréscimo de pressão e velocidade. A carcaça, que na maioria das vezes tem a forma de espiral, possui entre outras funções a de receber o líquido que sai do

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/ , 270

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

ELEVATÓRIAS

rotor, transformando parte de sua energia cinética em energia potencial de pressão. Os rotores podem ser do tipo aberto, semiaberto e fechado, conforme ilustra a figura 9.2.

) ) )

Classificação segundo a trajetória tio líquido

110

271

DE ESGOTO SANITÁRIO

rotor:

Por esse critério, as bombas podem ser de fluxo radial' fluxo misto' e de fluxo axial. ' ,

"

)

a) Bombas de/luxo radial

)

São aquelas em que o formato do rotor impõe um escoamento do líquido, preponderantemente, no sentido centrífugo radial. Os rotores desses tipos de bombas podem ser de sucção simples, ou de sucção dupla, embora este último tipo não seja recomendável para esgotos sanitários devido às facilidades de obstruções pelos materiais encontrados nos esgotos. ' As bombas de fluxo radial são empregadas onde se exigem grande altura de elevação, e vazão relativamente pequena.

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Figura 9.1 - Corte csqucmático

de uma bomba centrífuga.

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9.2 - Tipos de rotor: a) aberto; b) scmiabcrto; e) fechado Figura 9.3 - Bomba de fluxo radial

As bombas para esgoto são dotadas normalmente d· rotores abertos, ~arentupimentos.

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9.4.1.1.

Classificação

das bombas centrífugas

As bombas centrífugas classificam-se segundo a trajetória do líquido no rotor, em função da rotação específica, e de acordo com a disposição do conjunto motorbomba.

'b) Bombas defluxo misto São aquelas onde o rotor impõe um escoamento simultâneo nos sentidos axial e radial. São empregadas para os casos em que a altura de elevação sej~ relativamente baixa e a vazão elevada. . . c)

Bomba de fluxo axial

São aquelas em que o formato do rotor impõe um escoamento no sentido axial. Esse tipo de bomba é empregado para recaJcar grandes vazões e pequena altura de elevação.

-J \

272

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO ELEV ATÓRIAS

H.-

DE ESGOTO

SANITÁRIO

273

Portanto; conhecendo-se a rotação específica com auxílio da figura 9.6 é possível, então, a classificação das bombas.

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300 100%

100 Porcentaqem

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da carqa

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100%

100 Porcentagem da

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carga

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Figura

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~ Radial

Francis

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Dio9onol

Alio!

9.6 - FOInlaS do rotor c rendimento da bomba em função da rotação específica.

Q

Classificação de acordo com a disposição do conjunto motor-bomba Figura 9.5 - Bomba de fluxo axial,

Classificação

em função

da rotação especifica (N c)

Fisicamente, a rotação específica caracteriza a rotação (em rpm) de uma bomba de uma dada geometria, que produz vazão unitária (1 m3/s) contra uma altura unitária (1 m), nas condições de máximo rendimento e é dada pela fórmula:

(9.1)

onde: N

rotação da bomba, rpm; Q = vazão, mJ/s; H = altura manométrica, m. =

)

De acordo com essa classificação tem-se: • conjuto de eixo horizontal; • conjunto de eixo vertical (bombas não submersas e bombas submersas); • conjunto motor-bomba submerso.

) ) )

a) Conjunto de eixo horizontal Os conjuntos de eixo horizontal são normalmente utilizados devido às facilidades de instalação, operação e manutenção. Tradicionalmente a bomba funciona afogada, dispensando escorvamento, mas correndo o risco de inundações. Atualmente, existem bombas centrífugas auto escorvantes, permitindo a sua instalação acima do nível de água do poço de sucção, sem necessidade de escorvamento.

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274

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SAN IT ÁRIO ELEVATORIAS

) b) Conjunto de eixo vertical

) )

Bombas não submersas - permitem que as bombas trabalhem afogadas, enquanto os motores acoplados a elas por meio de eixos prolongados são instalados em nível superior, ficando protegidos de eventuais inundações. Devido à utilização de eixos de acoplamento, à medida que eles se tornam muito longos (maiores que 3 m) há necessidade de se tomarem precauções cada vez maiores, onerando os custos. Neste caso, também os motores podem ser acoplados diretamente na bomba, não havendo eixo de prolongamento, e a instalação do conjunto motor-bomba é análoga ao do conjunto de eixo horizontal.

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Bombas submersas - a bomba fica totalmente mergulhada no líquido e o motor instalado em local seguro, livre de inundações. A utilização dessas bombas reduz consideravelmente as dimensões da elevatória, entretanto, possui desvantagens quanto à inspeção e manutenção da bomba, devido às dificuldades de acesso.

) ) c)

DE ESGOTO SANITÁRIO

275

Tendo em vista que um sólido de 70 111mde diâmetro pode passar através da maioria dos sanitários domésticos, é recomendável que as bombas utilizadas em elevatórios de esgotos tenham abertura superior a 100 mrn. As bombas devem trabalhar afogadas, exceto a auto escorvante, de modo a permitir o seu funcionamento sem necessidade de escorvá-las. Obtém-se com isso: • dispensa da válvula de pé, que funciona precariamente com líquido contendo materiais estranhos em suspensão; • condições para automatização. 9.4.2.

Bombas Parafuso

As bombas parafuso são provavelmente o tipo mais antigo de bombas existente. O seu funcionamento é baseado no princípio do parafuso de Arquimedes, no qual um eixo rotativo acoplado a uma, duas ou três lâminas helicoidais, girando num plano inclinado, eleva o esgoto.

Conjunto motor-bomba submerso

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Alg~mas recomendaçõcspara centrífugas

o recalque de esgotos com bombas

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COMPORTA

I CÂMARA NI v EL MAXIMO

à

9.4.1.2.

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Nos conjuntos motor-bomba submersos a bomba e o motor integram um conjuto que opera inteiramente imerso no líquido a ser bombeado. São aco~lados entre SI e protegidos por uma carcaça capaz de assegurar absoluta esta.nqueldade ao motor, Preso a um eixo-guia vertical, pode ser movimentado para cima e para baixo por meio de uma corrente de suspensão. O acoplarnento da saída da bombacorri canalização de recalque se faz ~om justaposição de flanges, sendo a vedação feita pelo próprio peso do conjunto, eliminando-se o uso de porcas e parafusos. A sua retirada pode ser manual, ou através de uma talha dependendo do peso do conjunto submerso. . Além das vantagens mencionadas, os conjuntos submersos possuem dimensões reduzidas, seus componentes são padronizados e permitem passagel~ dos sólidos carregados pelo esgoto, mas a sua aplicação é limitada pela sua capacidade.

Pelo fato de movimentarem líquidos contendo materiais em suspensão, as bombas devem possuir um tipo especial de rotor, normalmente aberto, além de ?~cas de inspeções junto à sucção e recalque para permitir limpezas. Não deverá ser utilizado o rotor do tipo fechado, frequentemente empregado para bombeamento de água limpa.

NIVEL

MINIMO

1

j

FAIXA

DE JJSl\NTE

OPERACIONAL

DA BOMBA

PARAFUSO

o, = DIÂMETRO EXTERNO DO PARAFUSO dp 2 = DIÂMETRO DO EIXO TUBULAR H = ALTURA DE ELEVAÇÂO lp= COMPRIMENTO DO PARAFUSO Figura 9.7 - Bomba parafuso.

Podem ser instaladas com ângulo de inclinação desde 22" até 40°. Uma bomba instalada com ângulo de 22° bombeará mais do que uma instalada a um ângulo de 38°, entretanto, ocupará maior espaço. A altura de elevação para uma bomba parafuso é limitada a cerca de 9m, sendo este limite imposto pelos requisitos estruturais do parafuso. Além disso, para alturas maiores, a eficiência diminui sensivelmente em virtude do crescente retomo de água, ao longo das pequenas folgas existentes entre o corpo da bomba, as paredes e o fundo do canal em que o mesmo se encontra instalado.

(

276

COLETA

E TRANSPORTE

ELEVATÓRIAS

DE ESGOTO SANITÁRIO

Quanto ao rendimento, pode-se esperar um valor de 60 a 65% para bomba de pequeno porte e de até 75% para bombas maiores. As bombas são normalmente acionadas por motores elétricos de indução, trifásicos, e redutores de velocidade, de maneira a serem obtidas rotações apropriadas nos parafusos (em tomo de 30 a 50rpm). 9.4.3.

DE ESGOTO

SANITÁRIO

277

Ejetores pneumáticos são utilizáveis para vazões de 2 a 38 e/s. Em condições normais de projeto, os ejetores realizam um ciclo por minuto, enchendo em 30 segundos. A capacidade do tanque normalmente utilizado nos Estados Unidos varia de 45 a 680 litros. A WPCF (1970) apresenta uma fórmula empírica para o cálculo da vazão de ar comprimido para operar um ejetor.

Ejetores Pneumáticos

Ejetores pneumáticos são utilizados nos locais onde a vazão inicial é pequena e a vazão final de projeto não exceda a capacidade do ejetor. O ejetor consiste, essencialmente, de uma tanque fechado, para o interior do qual o esgoto flui, por gravidade, até atingir um determinado nível. Enquanto o tanque vai enchendo, o ar nele contido é expulso para a atmosfera. Quando o tanque está quase cheio pela ação de uma bóia ou de um outro dispositivo de controle, interrompe-se a saída do ar, admitindo-se ar comprimido no interior do tanque, através de válvulas especiais, ou diretamente de um compressor, em quantidade e pressão suficientes para promover a descarga do líquido. A válvula de retenção instalada na tubulação de entrada do ejetor impede que o esgoto saia do tanque, a não ser através da válvula de retenção instalada na tubulação de saída, que se destina a evitar o retomo do esgoto recalcado. O ar sob pressão vai deslocando o esgoto, até atingir o nível mínimo estabelecido pela limitação do percurso da bóia ou outro dispositivo de controle, provocando a interrupção da entrada de ar comprimido e, consequentemente, reiniciando um novo ciclo.

V=Q(H+34) a 250

(9.2)

onde.Vj= vazão de ar comprimido, pésvmin. (l pe3/min=28,3e/min); Q = vazão do esgoto, gpm (lgpm=3,785eJmin); H = altura manométrica, pés (1 pé=0,305m). A figura 9.9 apresenta um ejetor pneumático com seus equipamentos de controle. ' VÁLVULA SOlENOIOE PA t\A AlMOS

CRIVO

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GAVETA VÁLVULA

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FÍgura 9.8 - Ejetor pneumático.

VALV\JLA DE RETENÇÃO

Figura 9.9 - Ejetor pneumático com equipamentos

de controle.

'-

) )

278

COLETA E TRANSPORTE

ELEVATÓRIAS

DE ESGOTO SANITÁRIO

DE ESGOTO SANITÁRIO

279

)

9.4.4.

)

Limites de Aplicação para os Vários Dispositivos de Bombeamento de Esgoto

) Gruyter (1974) apresenta os limites normais de aplicação para os vários dispositivos de bombeamento de esgoto (Fig.9.1O). Segundo O autor, esses limites não devem ser considerados precisos, pois as áreas de aplicação se sobrepõem uma às outras.

) )

)

• motores de corrente alternada - são os mais utilizados porque a distribuição de energia elétrica é feita normalmente em corrente alternada. Os principais tipos são o motor síncrono e o motor de indução ou assíncrono. • motores de corrente contínua - são utilizados em aplicações que exigem ajuste fino e controle preciso de velocidade. Além disso, precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de dispositivo que converta a corrente alternada em contínua. Devido ao seu elevado custo são raramente utilizados em elevatórias de esgoto.

). )

9.5.1.

Motores de Corrente

9.5.1.1.

Motor síncrono

Alternada

) O motor sincrono tem rotação constante determinada em função da freqüência e número de pólos. A rotação síncrona de um motor elétrico é dada pela expressão:

)

) )

N s

11

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(9.3)

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onde.N,> rotação sincrona, rpm; f = freqüência, Hz; p = número de pólos.

0.01

0.05

0.1

5

0.5

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Figura 9.10· Limites de aplicação dos dispositivos de bombcamcnro de esgoto.

9.5.

MOTORES

PARA O ACIONAMENTO

DAS BOMBAS

Dois tipos de motores são basicamente utilizados em elevatórias de esgotos: • motores elétricos; • motores de combustão interna. Os motores elétricos são os mais utilizados para o acionamento das bombas de esgotos, pela sua simplicidade, confiabilidade, flexibilidade e menor custo. Esses equipamentos transformam a energia elétrica em energia mecânica, sendo que os tipos mais comuns são:

)

Os motores sincronos são fabricados com 80 a 3.600 rpm. Isto permite acoplar o motor diretamente à carga, mesmo em baixas rotações, onde um motor de indução exigiria um redutor de velocidades e apresentaria rendimento e fator de potência mais baixos. As vantagens apontadas tendem a ser mais significativas à medida que aumenta a potência dos motores. Os motores síncronos constituem alternativas para a utilização no acionamento de bombas que exigem grandes potências e baixas rotações (potências z 5.000 cv, ± 16 pólos), ou quando é necessário um elevado binário do 2 motor para partida do conjunto motor-bomba, devido a alta inércia (GD ) da bomba. Nessas condições, o custo de um motor síncrono é comparável ao de um motor de indução, tornando-se necessário um estudo comparativo para a definição do tipo de motor a ser utilizado. O motor síncrono quando superexcitado gera carga capacitiva, e quando é ligado em paralelo com o motor de indução, corrige o fator de potência do sistema. A estrutura e o mecanismo de operação dos motores síncronos são relativamente complexos. Para seu funcionamento há necessidade de uma fonte suplementar de energia em corrente continua destinada à alimentação dos enrolamentos do

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280

COLETA

E TRANSPORTE

rotor. Isto é obtido através de um pequeno gerador, conhecido por excitatriz, montado no mesmo eixo do motor, ou mediante um sistema de retificação estática que se utiliza da mesma fonte de alimentação. Segundo Lobosco e Dias (1988), em geral os motores síncronos começ.am a ser importantes industrialmente a partir de cerca de 300 cv, sendo quase exclusivos, em potências superiores a 15.000 cv. Como a maioria dos motores utilizados em elevatórias de esgoto são de potência pequena e rotação relativamente elevada, na prática, os motores sincronos geralmente não são utilizados em elevatórias de esgoto. 9.5.1.2.

Motor de indução

Os motores de indução podem ser: • monofásicos - utilizados para acionamento de cargas de pequena potência, até 5 cv; • trifásicos -largamente utilizados em elevatórias de água e esgoto, de pequenas a grandes potências, razão pela qual seus principais tipos e características serão analisados mais detalhadamente. No motor de indução a rotação não coincide exatamente com a rotação síncrona. Em razão do escorregamento, a rotação do motor de indução é de 2 a 5% menor do que a rotação do motor síncrono. Normalmente, a rotação máxima para bombas que operam em esgoto é de' 1200 rpm, porém, para bombas centrífugas com vazões inferiores a 50 €Is, se necessário, pode-se trabalhar com 1800 rpm, Tipos de motores de indução trifásico Os tipos de motores de indução trifásico são: •

ELEVATÓRIAS

DE ESGOTO SANITÁRIO

Motor de indução com rotor em gaiola

É o mais utilizado nas pequenas, médias e até grandes instalações de bombeamento, devido a sua simplicidade, eonfiabilidade e economia. Estima-se que 90% dos motores fabricados sejam desse tipo. Quando não há necessidade de ajuste e controle de rotação, sua utilização é predominante. Outros tipos de motores, são usados somente quando alguma peculiaridade determina tal opção. Atualmente, o uso desse tipo de motor com controle de rotação é bastante comum, sendo utilizado o inversor de frequência para a variação da rotação. Uma

DE ESGOTO

SANITÁRIO

281

da vantagens da utilização do inversor de frequência reside no fato de que, mesmo em sistemas em operação, não há necessidade de troca de motor para sua instalação. O rotor não possui nenhum enrolamenro, nem contato elétrico do induzido com o exterior. Normalmente é usado para o acionamento das bombas de rotação constante. Possui,. entretanto, menor fator de potência e pico de corrente na partida do motor normalmente de seis a oito vezes a corrente nominal, características que devem ser consideradas e que, em geral, não influem decisivamente na escolha entre motor síncrono e assíncrono, vigorando o critério econômico. O uso do variador de rotação para motor de indução, corrige o fator de potência, do motor. Essa correção se dá somente quando o motor é ligada a rede de alimentação de 60 Hz, trifásico. •

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Características eletromecãnicas

dos motores elétricos de indução trifásicos

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Motor de indução com rolar bobinado

Utilizado para acionamento das bombas de rotação variável, possui enrolamento também no rotor, com comutação para o exterior através de anéis coletores. Na fase de partida é conectado ao enrolamento do rotor através dos anéis coletores e resistências reguláveis por ineio de reostato. À medida que aumenta a rotação, as resistências são parcialmente retiradas até a total eliminação, quando o motor atinge a rotação síncrona. A variação de rotação é obtida alternando-se a resistência conectada ao rotor através dos anéis. Na partida é conectada a resistência máxima e, para alcançar a rotação máxima, essa resistência é totalmente eliminada provocando-se o curtocircuito dos terminais do rotor. A utilização do motor de indução com rotor bobinado para o aciomento das bombas de rotação variável está sendo susbstituído por motor de indução assíncrono, com uso de variador de rotação do tipo inversor de frequência, com vantagem do sistema operacional ser mais simples e eonfiável. O mercado oferece inversores de frequência com potência para uso em miero motores, até motores de potência elevadas (;::;;5.000 cv) em tensão de 220, 380, 440 e até 3.800 V, conforme a potência do motor.

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Como esse tipo de motor é o mais utilizado para o acionamento de bombas centrífugas em elevatórias de água e esgoto, a seguir são descritas suas principais características:

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COLETA

E TR;\NSPORTE

DE ESGOTO

SANITidtlO ELEVATÓRIAS

)

•• Potência do motor

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200

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Deve-se considerar quatro aspectos da potência de um motor elétrico: mente mecânica, a nominal, a admissível e a absorvida da rede.

a pura-

) )

)

- Potência

z

z

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exemplo, um motor de 100 cv acionar uma bomba que solicita 20 cv, ele fornecerá no seu eixo somente 20 cv. Se acionar uma outra bomba que lhe solicita 110 cv, o 111~$momotor fornecerá no seu eixo os 110 cv.

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-

/ r--

~ o

A potência de um motor elétrico é sempre a potência mecânica no seu eixo. O 1110tor, fornece, pois somente o que lhe é solicitado pela carga acionada. Se, por

Neste caso, o fornecimento contínuo dos 110 cv acarretará temperatura de operação e redução da vida útil dos enrolamentos.

um aumento

o

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100

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= rotação,

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12Oxl P

I = FREOUÊNCIA

p = NÚMERO

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DE PO LOS

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EM % DA ROTACÃO

SíNCRONA

Figura 9.11 - Curva típica: torquc versus rotação de um motor de indução. Fonte: Brucoli e Lucarelli (/98 J).

200

q

rpm.

..• A curva típica de torque versus rotação de um motor de indução é indicada figura 9.11.

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NOMINAL

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RPM CORRESPQNDENTEAO TOROUE MAXIM.O • 0.9 A 0.95 DA RPM SINCRONA

onde: P rn = potência do motor, cv; T no = torque, kgf.m;

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TOROUE

TOROUE

SiNCRONA

da

(9.4)

111

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RPM

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MÁXIMO

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ROTACÃO

m

....•.••••.TOROUE

283

[

V \

A potência que um motor elétrico de indução fornece é sempre a potência no eixo e depende do seu torque e da correspondente rotação. Potência, torque e rotação relacionam-se segundo a equação:

.

SANITÁRIO

/ I--

w :::>

mecânica

. P=--xT

I

TOROUE DE PARTIDA

-'«

mecânica

DE ESGOTO

Na fase de partida, isto é, desde a rotação zero até atingir a rotação nominal, o motor deverá vencer os conjugados resistentes oferecidos pela bomba. As curvas da figura 9.12 indicam que os torques do motor e da bomba, são importantes para a verificação das condições de partida do conjunto motor-bomba, pois quando sobrepostas as curvas correspondentes do motor e da bomba verifica-se a variação do torque acelerante, que é o que garante a aceleração da bomba até a rotação nominal.

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- Potência nominal

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110),18

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o

É a potência mecânica

que um motor elétrico pode fornecer no eixo continuamente, sob tensão e freqüências nominais e geralmente com o melhor rendimento e fator de potência, sem que a temperatura dente ao do seu sistema de isolação.

de regime ultrapasse

~O ROTAÇAO

EM

%

DA ROl1.ÇÃO

100 SiNCRONA

o limite corresponFigura

9.12 - Curvas de lorque versus rotação do motor c da bomba. Fonte: Brucoli e Lucarelli (/981).

284

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

ELEVATÓRIAS

Observa-se que a potência nominal do motor se refere a potência contínua disponível no eixo, uma vez que, em termos de potência mecânica, os valores são maiores, porém, normalmente não disponíveis de forma contínua em razão do aumento da temperatura de operação. - Potência admissível

Número depólos

N = 120f s

•

Rotação e escorregamento Define-se escorregamento como:

s

= C·

Deve-se distinguir a potência nominal do motor, de sua potência elétrica absorvida da rede de alimentação. Esta depende do rendimento do motor e é dada pela equação:

•

Tensão-freqiiência

Os motores são projetados para operar em determinada tensão e freqüência. No Brasil a freqüência adotada é de 60 Hz. Quanto à tensão, classificam-se em: - Motores de baixa tensão, construídos para operar com tensões que não ultrapassem 600 Y. Entretanto, na prática, os motores trifásicos são fabricados para operar em 220 V, 380 V ou 440 Y.

Ns

-

Nr 100

N,

(9.7)

onde: Se = escorregamento, % da rotação sincrona; N, = rotação síncrona, rpm; N, = rotação do motor, rprn.

(9.5)

onde: P, = potência elétrica absorvida da.rede, W; P tu = potência mecânica fomecida pelo motor no eixo, W; llm = rendimento do motor.

(9.6)

P

onde: Ns = rotação síncrona, rpm; ( = freqüência, Hz; p = número de pólos.

- Potência elétrica absorvida da rede de alimentação

11m

285

O número de pólos indica a rotação síncrona do motor.

É aquela que se pode solicitar continuamente do motor sem que haja um comprometimento sensível da vida do seu sistema isolante. A potência admissivel é maior que a nominal e leva o motor a uma temperatura de operação mais elevada do que a correspondente à potência nominal. O aumento da temperatura de operação reduz a vida da isolação e, conseqüentemente, a vida do motor. A duração normal do sistema isolante é de 12 a 15 anos de operação contínua. A potência admissivel maior que a nominal, conforme se observa na prática, não deve comprometer mais do que 10 a 20'10 da vida normal do sistema isolante. Isso ocorre com solicitações de potência correspondente a correntes de operação geralmente em tomo de 5 a 10% acima da corrente nominal.

c

SANITÁRIO

- Motores de média tensão, destinados a operar em tensões superiores a 600 V e inferiores a 13.800 Y. Na prática também são encontrados para operação com 2.300 V, 3.800 V, 4.000 V, 6.000 V, 6.600 V, 13.200 V e 13.800 Y. •

P = Pm

DE ESGOTO

O escorregamento •

aumenta com a carga imposta ao motor.

Fator de potência

Conceitualmente, o fator de potência é o co-seno do ângulo de defasamento entre as ondas de tensão e de corrente absorvidas pela carga de uma determinada instalação. O fator de potência pode também ser definido matematicamente através da relação entre a potência ativa e a potência aparente, A potência ativa desenvolve trabalho efetivo nos aparelhos consumidores (motores, lâmpadas etc.). Já a potência reativa, no caso indutiva, geradora dos fluxos magnetizantes nos bobinados dos motores, reatores, transformadores etc., não produz nenhum trabalho efetivo e é trocada a cada instante entre a fonte e os aparelhos consumidores. A potência aparente é aquela totalmente absorvida por uma instalação elétrica.

I)

)

( (

)

~ )

286

)

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

ELEVATÓRIAS

DE ESGOTO

SANITÁRIO

287

)

•

Corrente de partida ou de rotor bloqueado

)

Os motores de indução desenvolvem, na partida, um pico de corrente que pode chegar a nove vezes a corrente nominal. Esse pico decresce até alcançar a corrente nominal, quando o motor atinge a velocidade de funcionamento. Devido ao seu elevado valor, poderá ser prejudicial ao sistema alimentador, sendo sempre necessário estudos para limitá-Ia ou não.

) ,.

jl.

\.

: '

) •

) Figura

)

•

9.13 - Relação entre potência ativa, aparente e a reativa dada em quilovolt-arnpére-reativo.

Rendimento

)

o motor elétrico transforma potência elétrica em mecânica e, como toda máquina, o faz com um determinado rendimento que é a relação entre a potência mecânica fornecida no eixo e a potência elétrica recebida da rede de alimentação. O rendimento e o fator de potência são características fixadas no projeto dos motores e seus valores variam dependendo do percentual de carga que o motor fornece em relação à sua potência nominal. . A fim de se utilizar um motor com o melhor rendimento e fator de potência é recomendável que se selecione sua potência nominal o mais próximo possível da solicitada pela carga.

) )

)

•

Corrente

A relação entre corrente, potência do motor, tensão, fator de potência e rendimento é dada pela equação: . . .

I

= e

Pm

.fi u 11m coso

onde: I, Pm U

corrente, A; = potência do motor, W; = tensão, V; 11m = rendimento do motor; cos
, I. ) ','

):: i I!

I

~,I

~I·i; )L~ 1

)

=

Classes de isolação dos sistemas isolantes

Conforme a qualidade, os materiais isolantes podem apresentar o mesmo tempo de vida útil operando em temperaturas diferentes. Desta forma classificam-se quanto à temperatura máxima de operação contínua dentro das quais um tempo médio de vida útil é obtido. . As principais classes de isolação e respectivas temperaturas máximas são as seguintes: Classe Classe Classe Classe •

A B F H

J05°C 130°C 135°C 180°C

Elevação de temperatura

É o aumento da temperatura do motor sobre a do ambiente quando fornece sua potência nominal continuamente. A elevação de temperatura e respectivas classes de isolação, adotando-se temperatura ambiente máxima de 40°C, são: Classe Classe Classe Classe

(9.8)

•

A B F H

60°C 80°C 100°C 125°C

Tempo máximo permissível de rotor bloqueado:

É o maior tempo admitido para que um motor, alimentado com sua tensão nominal, tenha seu rotor bloqueado sem que isto venha a prejudicar a vida útil da máquina. Esse tempo é muito pequeno, geralmente entre 10 a 15 segundos. .

:71 ) )

288

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

ELEVATÓRIAS

SANITÁRIO

DE ESGOTO

)

289

SANIT ÁRlO

)

•

Falar de serviço

Define-se como um coeficiente igualou maior que I que, multiplicando-se a potência nominal, indicará a potência que o motor poderá fornecer continuamente sem que as.temperaturas excedam os limites da classe do sistema isolante. 9.5.2.

Motores de Combustão

9.6.

SELEÇÃO DE CONJUNTOS ELEVATÓRIOS

9.6.1.

Bombas Centrífugas

) )

)

. Para seleção de bombas centrífugas são necessárias várias informações as quais serão a seguir consideradas.

Interna

9.6.1.1.

Grandezas

e curvas características

)

)

das bombas e dos sistemas

)

As principais aplicações dos motores de combustão interna são:

Grandezas utilizadas em sistemas elevatórios

• Em grandes elevatórias, como fonte de energia auxiliar para acionamento das bombas e demais equipamentos elétricos, durante as interrupações de energia elétrica; • Funcionamento das bombas nas elevatórias situados em locais distantes onde não se dispõe de energia elétrica, ou, quando o seu fornecimento é irregular; • Nas elevatórias localizadas junto às estações de tratamento de esgotos, que dispõe de gás de esgoto, o qual possa ser utilizada como combustível.

As principais grandezas e curvas características das bombas e dos sistemas de recalque que permitem a análise dos sistemas de elevação de líquidos acham-se descritos na sequência. A figura 9.14 esclarece vários parâmetros que serão definidos.

)

) ) )

Vr2

)

29 ~

) V"r2

Os motores de combustão interna utilizadas em elevatórias de esgoto, podem ser classificadas em:

i

1

• Motores de ignição por faísca - estes aspiram uma mistura ar/combustível já formada e convenientemente dosada, cuja combustão inicia-se pelo disparo de uma faísca. O combustível utilizado pode ser, gás natural, gás de esgoto, gasolina ou álcool. A gasolina e o álcool devido aos problemas decorrentes do armazenamento não são cornumente utilizados. • Motores de ignição espontânea - geralmente aspira-se apenas o ar, injetando-se combustível na câmara, onde se inicia a combustão a uma determinada pressão e temperatura. Fazem parte deste grupo, os motores Diesel, que utilizam o óleo diesel como combustível. Os motores de combustão interna poderão acionar diretamente as bombas, ou acionar um gerador de energia elétrica, que por sua vez, movimenta as bombas e os equipamentos elétricos da elevatória. No caso de elevatórias integrantes de uma estação de tratamento de esgoto, na qual o gás de esgoto é disponível, podem ser utilizados os motores de ignição por faísca, ou os motores diesel tipo "dual-fuel", Os motores diesel tipo "dual-fuel" são motores que podem funcionar com dois combustíveis diferentes, um dos quais o gás de esgoto, e o outro o óleo combustível. A mistura do óleo com o gás é variada, necessitando, no entanto, um mínimo de 10% de óleo diesel para o funcionamento adequado desses motores. Em nosso meio, os motores de combustão interna são poucos utilizados.

29

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Hg.r

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I

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I

) HNI1'dI--Y1

ft-'--"7"'<--

- --

Referência

) -linha de carga - - - linha piezométrica

) )

Figura 9.14 - Esquema hidráulico de um sistema de recalque.

) )

• Capacidade ou vazão de bombeamento -é o volume de líquido bombeado por unidade de tempo, normalmente expresso em m3/h, m3/s ou f/s. • Altura geométrica de sucção ou altura estática de sucção (Hg,s) -é o desnível geométrico entre o nível de água no poço de sucção e a linha de centro da bomba. Se o nível do líquido no poço de sucção está abaixo da linha de centro da bomba, diz-se quea sucção é negativa. Quando ocorre o inverso, diz-se que a sucção é positiva.

) ) ) /

) )

,

)

j )

290

)

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

ELEV ATÓRIAS

• Altura geométrica de recalque ou altura estática de recalque (Hg,r) - é o desnível geométrico entre linha de centro da bomba e o nível do líquido onde chega a tubulação de recalque, • Altura geométrica total (Hg,t) - é o desnível geométrico entre o nível do líquido onde chega a tubulação de recalque e o nível do líquido no poço de

)

)

sucção. • Carga de velocidade ou carga cinética - é a energia cinética contida no 2 líquido bombeado. A carga de velocidade é dada por y /2g, onde: Y = velocidade do líquido, rn/s ; g = aceleração da gravidade = 9,81 m/s' • Altura manométrica totalé a carga que deve ser vencida pela bomba, quando o líquido está sendo bombeado. Para sua determinação devem ser consideradas as alturas geométricas de sucção e recalque, as perdas de carga e as cargas cinéticas. A expressão utilizada para determinação da altura manométrica total de uma bomba é dada pela equação (9.9).

) ." ) ) )

) ) )

) H=H )

-H.+--r

)

s

v', v', 2g

(9.9)

2g

),, H = Hg S-LLlH s

'

• Potência fornecida pela bomba - é a potência para elevar a vazão líquido, de modo a vencer a altura manométrica total. É dada por:

Pc =yQH onde: P I = y = Q= H =

onde:

1 :.•:

) ;'i',,:, J/f':\

.

..

s

) I:, )

) )

I

= altura manométrica total, m; = altura manométrica no recalque (sucção), medida no bocal de recalque (sucção) e tendo como referência a linha de centro do rotor da bomba, m;:

Y,(Y,)

= velocidade do líquido no bocal de recaI que (sucção )da bomba, m/s; LLlHrCLlH.) = somatória das perdas de cargas distribuídas e localizadas, na tubulação

de recalque (sucção),

m.

• Eficiência ou rendimento da bomba ~ é a relação entre a potência pela bomba e a potência consumida por essa bomba. É dada por:

)

)

fornecida

T] = rendimento

ou eficiência

da bomba;

pela bomba, kW; N.rn/s.

Curvas características das bombas centrífugas As bombas centrífugas são máquinas que podem trabalhar à mesma rotação, sob diferentes condições de vazão e de altura manornétrica, Existe, entretanto, uma interdependência bem definida entre esses valores, de conformidade com a vazão bombeada e a altura manométrica da bomba, operando a uma velocidade constante, que é obtido através de ensaios. As curvas 'de vazão (normalmente em m3fh) contra a altura manométrica total (em m), potência consumida (em kW ou HP), a eficiência da bomba e o NPSH (Net Positive Suction Head) são conhecidos como curvas características da bomba.' A forma geral dessas curvas características varia em função da rotação específica da boniba.É comum o fabricante da bomba fornecer as curvas características para diversos diâmetros do rotor que podem ser usados na bomba.

a

Considerando que a equação (9.9) foi escritatendo como referência a linha de centro do rotor da bomba, as alturas geométricas acima desta linha de referência são consideradas positivas, e as abaixo, negativas. Pode-se escrever a equação (9.9) em função da altura geométrica total, como:

) )

potência líquida fomecida pela bomba, kW; N .rn/s; peso específico da água N/m3; vazão, m3/s; altura nÍ.anométrica total, m.

(9.11 )

2g

.1.

) ":" );

H H, (H,)

do

(9.13)

P, = potência consumida

"","

291

'. (9.14)

v', --

t ':::.

)1;'

.

Na equação (9.12) a energia na carga cinética Y 2,12g é normalmente considerada perdida à saída da tubulação de recalque. Na prática, esta perda de carga é tomada como equivalente à perda de carga de saída da tubulação e é considerada como perda de carga localizada.

onde: )

SANITÁRIO

. (9.10)

H,> Hg,r + LLlHr

)

DE ESGOTO

É de fundamental (9.12)

importância

o conhecimento

das curvas características

das

bombas, pois cada bomba é projetada, basicamente, para elevar uma determinada vazão eQ) a uma altura manométrica total (H) emcondições de máxime-rendimen-

292 , I t

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

I

SANITÁRIO

20 ..•••..• CU~VA

..~

ALTURA - VAZÃO

E

70

15

•.. ec

100

'",

" o Z

-e

60

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10

90 o

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50

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o

o

0.1

0.2

..

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o

70

z

30

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20

50 0.5

0.4

0.3

VAZÃO

:'! z

40

Õ

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i U

Z'

:E

DE ESGOTO

SANITÁRIO

293

Para o traçado da curva H x Q do sistema elevatório é necessário definir os diâmetros das tubulações de sucção, recalque e do barrilete. No cálculo das perdas de carga para a construção da curva Q x H da tubulação não se deve utilizar coeficientes que levem a valores da perda de carga superiores aos que efetivamente ocorrerão, com o intuito de se obter maior segurança nos cálculos. Tal procedimento conduzirá a informações falsas sobre o funcionamento do sistema elevatório, podendo mesmo ocasionar uma escolha inadequada das bombas. Quando as tubulações mudam suas características de rugosidade por envelhecimento, deve-se traçar as curvas Q x H do sistema elevatório para a rugosidade da tubulação nova e para a tubulação após um período de tempo de operação do sistema. Pelo que se observa na figura 9.16, a interseção da curva da bomba com a do sistema, representa o ponto de funcionamento da bomba, no qual são definidas a vazão e a altura manométrica de operação do sistema elevatório.

to, e à medida que o par Q e H se afasta das condições ótimas de operação, o rendimento da bomba tende a cair.

,I

ELEV ATÓRIAS

(m3/,1

Característica do sistema elevatório de uma bomba centrífuga de fluxo radial.

Figura 9.15 - Curvas características

• Curva característica do.sistema elevatôrio É a que relaciona a altura manométrica total do sistema de elevação do líquido com a vazão de bombeamento. Esta curva é obtida lançando-se em um gráfico a vazão em abscissa e a sua correspondente altura manométrica (H) em ordenada (figura 9. 16). 25r---------------------------~

CURVA E

'u"

•'"..

20

15 -

DA

BOMBA

L_/ -

PONTQOE

-

--

-

-

-

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OP~iÇÁO

,

.•....

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..

o

'"-e

10

r-

o: :> o-

-' -c

,,

0.2 VAZÃO

0.3

0.4

As bombas centrí fugas tê~ um ponto ótimo de operação, onde sua eficiência é máxima e pode ser obtida da curva de vazão contra a eficiência da bomba. No ponto ótimo de operação, as cargas radiais sobre os mancais estão a um mínimo. As cargas radiais cr-escem acentuadamente quando o ponto de operação da bomba se afasta do ponto ótimo, para qualquer dos dois lados. No caso dos valores de vazão de bornbeamento acima do ponto ótimo de operação, a pressão absoluta disponível necessária para se evitar a cavitação aumenta e, consequentemente, a cavitação pode passar a ser um problema potencial. Quando a vazão de bombeamento decresce muito em relação àquela do ponto ótimo de operação, tem-se problemas com a recirculação do líquido bombeado dentro do rotor. Essa recirculação causa vibração e perdas hidráulicas na bomba podendo resultar em cavitação. Para evitar ou minimizar os problemas citados, é recomendável, na prática, uma faixa de operação com valores da vazão entre 60% e 120% daquela relativa ao ponto ótimo de operação. . •

0.5

(m3fo)

Figura 9.16 - Curva característica

I

para a operação de bombas centrífugas

\

ALTURA GEOMÉTR ICA

0.1

I

Faixas recomendadas

do sistema elevatório.

Relações características

nas bombas centrífugas

Existem certas relações que permitem obter as curvas características da bomba para uma rotação diferente daquela cujas curvas características são conhecida. Outras relações permitem predizer as novas curvas características de uma bomba se for reduzido o diâmetro do rotor, dentro de limites que dependem do tipo da bomba.

j ) )

294

COLETA

E TRANSPORTE

DE'ESGOTO

ELEVATÓRIAS

SANJTÁRIO

) ) ) )

I'

)

1

SANITÁRIO

295

Variação da rotação da bomba

•

Para uma bomba com um mesmo rotor, girando a velocidades diferentes, são válidas as seguintes relações:

Quando as bombas operam com altas velocidades de rotação e capacidade superior àquela relativa ao ponto ótimo de funcionamento, existe o perigo potencial da cavitação. Esse fenômeno reduz a capacidade de bombeamento e a eficiência da bomba, podendo danificá-Ia. Quando a pressão absoluta, à entrada do rotor, é menor que a pressão do vapor do líquido em bombeamento, tem-se a formação de bolhas de vapor e essas bolhas, ao entrarem em uma zona de maior pressão, implodem abruptamente ocasionando espaços vazios dentro do líquido. Isto ocasiona o aparecimento de microjatos de água com grande quantidade de energia, que vão ocupar esses espaços. Se os vazios estiverem muito próximos às paredes do rotor, os microjatos de água chocam-se violentamente com essas paredes, causando danos ao rotor. Afim de se verificar a ocorrência ou não da cavitação, é necessário determinar o NPSH disponível no sistema (NPSHd) e compará-lo com o NPSH requerido pela bomba (NPSHr) para a vazão de bombeamento. Para que não haja cavitação é necessário que o NPSHd seja maior que o NPSH,..

(9.15)

) ) )

(9.16)

) )

(9.17) ) ) )

DE ESGOTO

onde: NI e N2 = velocidade de rotação da bomba; QI e Q2 = vazão de bombeamento relativa a NI e N2; HI e H2 = altura manométrica total da bomba relativa a N1 e N2; PI e P2= potência comsumida pela bomba relativa a NI e N2• Essas relações, conhecidas como leis' da similaridade, são utilizadas para se determinar o efeito da variação da rotação na vazão, altura e potência de uma bomba.

•

Cavitação

Determinação

do NPSHd

o NPSHd é calculado a partir dos dados de instalação da bomba, sendo que, o projetista poderá variar o NPSHd modificando a cota do eixo da bomba ou os elementos de instalação, tais como, diâmetro de sucção, rugosidade etc. o NPSH

pode ser determinado pela seguinte expressão:

d

Variação do diâmetro do rotor Variando-se o diâmetro do rotor (Dr) de uma bomba, 'com rotação constante, tem-se:

(9.18)

NPSH

- H g,S-L.,Ll ""H s+----Palm Pvapor

d -

y

onde.Nl'Sl-í, Hg,s

= =

L:6.Hs = (9.19)

p.,m

=

P vapor

=

y=

(9.20)

y

(9.21 )

carga de sucção positiva disponível, m; altura estática de sucção: positiva quando a bomba está afogada e negativa em caso contrário, m; somatória de todas as perdas de carga até o flange de sucção, rn; pressão atmosférica, N/m2; 2 pressão de vapor de água, N/m ; peso específico da água, N/m3•

Nas tabelas (9.1) e (9.2) são apresentadas a pressão de vapor da água em função da temperatura, pressão atmosférica e altitude, que são necessários para a determinação do NPSHd•

296

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

ELEVATÓRIAS

Tabela 9.1 - Pressão de vapor da água em função da temperatura

•

, I

", !

o

T = temperatura

0,062 0.072 0,083 0,095 0,109 0,125 0,174 0,238 0,323 0,433 0,752 1,258 2,031 4,827 10,332

2 4 6 8 10 15 20 25 30 40 50 60 80 100

SANIT ÁRJO

Pv/y =altura equivalente de coluna de água

do NPSHr

) )

NPSHr

a=--H

(9.23)

) onde: H = altura manométrica ou carga total do sistema.

) ·1'"

o valor

Tabela 9.'2 - Pressão atmosférica

h

de a depende principalmente da rotação específica da bomba (Nq). Diferentes valores deo entre bombas de mesma rotação específica, podem ser ocasionados por diferenças de projeto ou de fabricação, especialmente no que se refere à rugosidade das paredes das passagens da água. Nos casos em que não é conhecida a curva NPSH" pode-se verificar se a bomba cavita ou não, através da figura 9.17, cujos gráficos foram traçados a partir da rotação especifica e do coeficiente de cavitação crítico (c.), ou seja, quando a pressão interna na corrente líquida atinge valor igual ao da pressão de vapor do líquido.

em função da altitude

Observações

i';,

)

li i

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)

I"

)

! I

I;'{

\l::~ )

i; )

nI,. () li:

I

)

;11

(rn) ,I !

297

o NPSH, depende de elementos do projeto da bomba e da vazão, sendo geralmente fornecido pelos fabricantes das bombas. Entretanto, há casos em que se desconhece a curva do NPSH,. Nestes casos, para a determinação do NPSH" calcula-se o coeficiente de cavitação, também denominado, coeficiente de Thoma (o'), cuja relação é:

Observações

~ I'

Determinação

DE ESGOTO

o 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000

j! 1 \ ) .' I

1.0 0.9 0.8 0.7

h = altitude Patnh = altura de coluna de água equivalente a pressão atmosférica

10,33 9,96 9,59 9,22 8,88 8,54 8,20 7,89 7,58 7,31 7,03

8' .t= a:

,

~

0.6 0.5 0.4

bO

0.2

0.06

A pressão atmosférica, também poderá ser determinada aproximadamente através da equação (9.22), cujo resultado é dado em metros.

0.05

= 10 33-~ ,

)

)

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)

(

I

)

(

)

)

0.02

900

(9.22)

Figura 9.17 - Gráfico para estudo da cavitaçãoquando

não é conheciada

a curva do NPSH,.

)

ELEV ATÓRIAS

)

298

)

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

A relação entre coeficiente de cavitação (O") e a rotação específica (Nq) é:

) )

(9.24)

) "

'

)

sendo que o coeficiente K depende do tipo da bomba e do seu rendimento. Assim, para bombas de fluxo radial, sucção simples tem-se:

) )

(9.25)

Para bombas de Zfluxo misto, sucção dupla, tem-se:

) (9.26)

)

) )

9.6.1.2.

) i .l

Escolha das bombas

e determinação

do ponto de operação

do

sistema elevatório

,i

Para a escolha dos conjuntos motor-bomba e determinação do ponto de operação da vazão e altura manométrica total do sistema elevatório, é necessária uma análise das curvas do sistema eJevatório e das bombas disponíveis no mercado, passíveis de serem utilizadas em cada caso, bem como, o tipo de operação do sistema de bombeamento. Esses tipos de operação considerados são com apenas uma bomba, com bombas em paralelo, e com bombas em série. As etapas de projeto, a padronização de equipamentos eletromecânicos e o estudo dos transientes hidraúlicos também influem na escolha dos sistemas elevatórios. Para a vazão de operação máxima em cada bomba do sistema, o NPSHd deve superar o NPSHr em pelo menos 30% (trinta por cento) e também, em pelos

\,'\1l'

11 ' ) !, J: ' ) )

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menos 1,Om,

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•

)

Operação

com apenas uma bomba

,

t:

)

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)! '!:i I I

j

)I ~< 1

111

),

) ) )

i

~ ~

i

299

mento da tubulação, a análise da operação do sistema elevatório é feita com uso de uma família de curvas H x Q do sistema elevatório obtidas levando-se em conta esse~ fatores. Para a boa operação do sistema, é necessário que a faixa de melhor rendlm~nto da bomba escolhida esteja compreendida entre os pontos operacionais deten~l~ados com o uso da família de curvas H x Q possíveis para o sistema elevatono. I

• ,Operação

com bombas em paralelo

..

o o:

...

'W

H2 Hl

::E o

I '! ,~ .

)

SANITÁRIO

. ,E.melevatórias o mais ~omum é ter-se duas ou mais bombas que podem operar individualmente, ou associadas em paralelo, enviando o líquido reca1cado através de uma única tubulação de recalque, Com duas ou mais bombas operando simultaneamente em paralelo, cada bomba é responsável por uma parcela da vazão total reca1cada. ' . A curva combinada das bombas em paralelo é obtida pela soma de suas respecuvas vazões correspondentes à mesma altura das bombas (figura 9, J8),

)

)

DE ESGOTO

SANITÁRIO

Na operação com uma única bomba, o ponto de operação do sistema de bombeamento é determinado pelo cruzamento das curvas da bomba e do sistema elevatório. Portanto, para escolha da bomba, deve-se pesquisar nas curvas características das bombas aquela que eleva a vazão de projeto à sua respectiva altura manométrica, operando o mais próximo possível de seu ponto de melhor eficiência, ou seja, com seu máximo rendimento. Considerando-se que, devido à variação de nível do poço de sucção, e em alguns casos, as perdas de cargas podem variar ao longo do tempo por envelheci-

.. Z

CURVA DO SIST EMA

::E

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\--

H

l-SSOCIAÇÃO BOMBA I + BOMBA2

.J

" VAZÃO

o

Figura 9.1 8 - Operação com bombas em paralelo.

. O ~onto de interseção da curva combinada H x Q das bombas em operação slmulta~ea com a curva H x Q do sistema elevatório será o ponto de operação de tod? o Sistema, e fornecerá, portanto, a vazão total de recalque. Para a escolha das bombas de um sistema com operação simultânea em paralelo, deve-se pesquisar nas curvas características das bombas disponíveis, aquela que eleva a parcela de vazão total a ser reca1cada pela bomba, à altura mano métrica do sistema elevatório correspondente à vazão total de projeto, operando próximo de seu ponto de melhor eficiência. Em um sistema com várias bombas em paralelo, as condições de operação de cada uma delas pode variar sensivelmente em função do número de bombas em operação simultânea, fazendo com que o ponto de operação de cada uma se afaste de seu ponto de melhor eficiência, Deve-se fazer o projeto do sistema de bombea-

(-;1 )

(

300

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

I

i

.1. ELEV A TÓRIAS

• • • •

mento de tal modo que, nas condições mais desfavoráveis, a vazão de cada bom.ba não saia dos limites de 60% e 120% da vazão correspondente ao ponto de maior rendimento da respectiva bomba. •

Operação

com bombas em série

DE ESGOTO

SANlT ÁRlO

3 O1

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diâmetro e rotação do parafuso; número de entradas; ângulo de inclinação do parafuso; nível do líquido na câmara de montante.

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) Diâmetro

e rotação do parafuso

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As bombas podem ser instaladas de modo que uma mesma vazão passe sequencialmente por duas ou mais delas. Nestes casos, podem ser instaladas. em uma única casa de bombas, ou inseridas em pontos convenientemente escolhidos ao longo da linha de recalque. Na associação de bombas em ~érie, cada u~a.é responsável por uma parcela da altura manométrica total do sistema elevatono correspondente à vazão de recalque. A curva H x Q combinada das bombas em série é obtida pela soma dos valores de H de cada uma, para uma mesma vazão de recalque conforme mostrado na

As bombas parafuso são geramente disponíveis em tamanhos variando de 0,3 a 4,0 m de diâmetro do parafuso e capacidade de 0,01 a 6,Om3/s. A rotação ótima de um parafuso é o número de rotações por minuto para o qual a bomba opera próximo ao nível de líquido máximo na câmara de montante. A figura 9.20 mostra a rotação ótima em função do diâmetro externo do parafuso. \00 90 80 70 60

ASSOCIAÇÃO BOMBAH BOMOA2

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Figura VAZÃO

Figura 9.19 - Operação com bombas em série

o ponto

de operação do sistema será obtido pela interseção das curvas H x Q combinada das bombas e H x Q do sistema elevatório.

I 9.6.2. \

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Bombas Parafuso

As principais condições para a seleção das bombas parafuso são a altura ge~métrica e a sua capacidade. Uma vez conhecida a altura da elevação, a sua capacidade depende dos seguintes fatores:

9.20 - Rotação ótima em função do diâmetro externo do parafuso. Fonte: Gehring (1971).

Número de entradas

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As bombas parafuso são disponíveis em entrada simples, dupla e tripla. Para cada acréscimo de entrada, há um aumento de aproximadamente 20% na sua capacida Ângulo de Inclinação A capacidade de um dado parafuso varia em função do seu ângulo de inclinação, apresentando uma perda de aproximadamente 3% na sua capacidade para cada aumento de 1% na sua inclinação, conforme mostra a figura 9.21. Outros fatores, como espaço disponível para o parafuso, também influem na escolha do ângulo de inclinação. Bombas parafuso com ângulo de inclinação de 30° a 40° estão disponíveis no mercado.

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302

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

ELEVATÓRIAS

SANITÁRIO

DE ESGOTO

303

SANITÁRIO

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Figura 9.21 _ Influência do ângulo de inclinação na capacidade de bombeamento

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de bombas parafuso.

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Nível do líquido na câmara de montante

Figura

A capacidade e a eficiência de uma bomba parafuso estão intimamente relacionadas com nível do líquido na câmara de montante. Na figura 9.22 tem-se o nível mínimo que indica o nível no qual a bomba parafuso deixa de recalcar e o nível máximo é o nível que indica quando a bomba trabalha no máximo de sua capacidade. Esta figura apresenta, também, em função dos níveis de operação, a curva da capacidade e rendimento da bomba parafuso. Na prática, a seleção de bombas parafuso é geralmente

realizada pelos tàbricantes

de bombas, devido aos vários fatores envolvidos. Entretanto, a determinação aproximada das principais características de uma bomba parafuso pode ser feita através da figura 9.23 e os valores obtidos podem ser utilizados como base preliminar

de projeto.

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os critérios

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Fonte: Catálogo

(aberto, fechado etc.) compatível

Sel:çã~ d~s ~notoFes. com o melhor potencia nao inferior a 0,92.

da Bomba

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com o local da e com fator de

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Aspectos técnicos (*) ~t~:~:~:~~~~~:~e~:;:;~:o~

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prevalecem

vendo no entanto, serem consideradas

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Seleção de Motores

Para a seleção dos motores

9.22 - Cal actcnsuca de funcionamento Parafuso Faço.

- Seleção_do tipo de proteção instalação;

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Fonte: Gehring (1971).

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Estudo de partida para verificação da capacidade plena de acionamento da bomba, dos conjugados, considerando o sistema elétrico alimentador, o método de partida, o tipo de bomba e as condições

hidráulicas

de partida;

BHP=yQH 75T]b

potência, em HP, requerida pela bomba. O seu cálculo é efetuado

.

304

COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

ELEVATÓR1AS DE ESGOTO SANITÁRIO (r p m)

ROTACÁO

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POTÊNCIA FCFlNECIDA EM (%) DA NOMINAL

Quanto ao rendimento, os motores síncronos e os assíncronos ou de indução são praticamente equivalentes, apresentando alta eficiência. Com relação ao fator de potência, os motores síncronos apresentam maior flexibilidade, pois essa característica pode ser ajustada em função da excitação do motor. Nos motores assíncronos, o fator de potência varia com a carga e seu melhor valor situa-se na faixa de 75 a 100% da carga do motor. Esta característica nos motores de indução também varia em função do número de pólos, isto é, quanto maior o número de pólos, menor a rotação, o que torna mais dificil obter fator de potência adequado. A figura 9.24 mostra a variação do rendimento, fator de potência, rotação e corrente, dos motores de indução em função da carga acionada. •

Aspectos econômicos

Na escolha entre um motor de indução e um motor síncrono, prevalece fundamentalmente o aspecto econômico. É importante lembrar que deve ser considerado o custo 'global, compreendendo o motor e respectivo painel comseu equipamento de controle e proteção. Inclui-se, também, no custo do motor de indução, a eventual correção do fator de potência.

POTENCIA: TEN~Q: FREOUENCIA;

Figura

IOOCV 380 vots 60 Ht

9.24 - Curva característica

PÓlOS:

4

do motor de indução em função da carga acionada.

o custo de um motor síncrono somente é comparável ao de indução para grandes potências e baixa rotação (potência ~ 5.000 cv e ±16 pólos). Recomendase o cotejo de custos quando a potência e a rotação justifiquem a aplicação dos dois tipos de motores. . 9.7.

NÚMERO DE CONJUNTOS ELEVATÓRIOS

A determinação da quantidade de conjuntos motor-bomba é função das vazões envolvidas e de suas variações, dos equipamentos disponíveis no mercado, e de uma análise econômica, considerando os custos das obras civis e equipamentos a serem adquiridos, incluindo-se a operação e manutenção do sistema. Não há nehuma regra para se definir o número de bombas a serem instaladas em uma estação elevatória. Entretanto, o número deconjuntos elevatórios pode ser analisado sob três aspectos:

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306

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

ELEVATÓRIAS

SANIT ÁRIO

DE ESGOTO

SANITÁRIO

307

) • para pequenas elevatórias, o número mínimo será de duas unidades que, em tal caso deverão ser iguais, devendo cada uma delas estar em condições de, isoladamente, atender à vazão máxima prevista; • em elevatórias maiores, o número mínimo será de três unidades, que em tal caso, poderão ser iguais, devendo duas quaisquer, em funcionammento simultâneo, poder atender à vazão máxima prevista. No caso das unidades não serem iguais, é preciso que, estando qualquer das três fora de serviço, especialmente a maior, as outras duas possam, em funcionamento simultâneo, fazer face à vazão máxima; • no caso de estações elevatórias de grande porte, devem ser projetadas e instaladas várias unidades de recalque. Deve-se, outrossim, na medida dos dados disponíveis, proceder à determinação da curva de vazão horária da vazão afluente, dimensionando-se as unidades de recalque de forma a conc6rdar, da melhor maneira possível, a linha correspondente às vazões de recaI que, com a curva de variação da vazão afluente, dentro de uma faixa d.e rendimentos satisfatórios, Em tais estações, poderá haver uma ou mais 11111dades de rotação varíavel, para tomar mais fácil tal ajustamento.

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Além disso, de rnqçjo g~rfll, ao se estabelecer o número, bel!! corno a capacidade das bombas para uma estação elevatória, deve-se garantir urna reserva instalada que corresponda, pelo menos, a cerca de 250/. da capacidade total. N~ c~so de estações de grande vulto, dotadas de diversas unidades de recalque, o limite ora apontado será, via de regra, perfeitamente satisfatório. Entretanto, para eJevatórias de porte reduzido deverá ser prevista reservas da ordem de 50% a 100%.

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9.8.

SISTEMA DE CONTROLE

DE OPERAÇÃO DAS BOMBAS

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. A variação de nível do líquido é detectada através de sensores de níveis que são ajustados, ou para comandar os diversos pontos de operação de acionamento e desligamento das bombas, ou para programar a sua operação através de um painel de comando. Os sensores do tipo bóia, os pneumáticos e os elétricos, têm sido os mais utilizados ~m elevatóri~s de esgotos. Entretanto, nas elevatórias de esgoto que utilizam o variador de rotação das bombas, do tipo inversor de frequência, o controle da rotação das bombas, normalmente é feita através dos sensores de nível, com saída de 4 a 20 mA. Quando se utiliza o conjunto motor-bomba de rotação variável, em paralelo com os de rotação constante, o variador do tipo inversor de frequência poderá ser usado como equipamento de partida do motor. •

Sensores tipo bóia

São utilizados quando o sistema de comando é simples e requer alguns pontos de comando. O tipo usual de bóia consiste de um interruptor de mercúrio, dentro de uma cobertura de polipropileno com formatode uma "pera", que pode ser colocado na altura desejada, pois está suspenso por seu próprio cabo de comando. Quando o nível de água alcança a bóia, esta muda de posição, ligando as bombas, ou podendo ser usada, ainda, para acionar o sistema de alarme. As bóias devem ser localizadas no poço de sucção, em zona calma, afastadas da turbulência do esgoto. Podem ser colocadas diretamente em contato com o líquido ou no interior de tubos verticais perfurados. Deve-se, entretanto, ler o cuidado de se procurar eliminar ou reduzir depósitos de materiais flutuantes que, geralmente, se formam no poço de sucção. Esses depósitos de matériais poderão prejudicar o bom funcionamento das bóias.

Eng. Shigueo Makita (*)

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Nas elevatórias de esgotos, as bombas normalmente são controladas autornaticamente, Além disso, são previstos comandos manuais para atender às situações de

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emergência e manutenção. . _ . O'controle automático das bombas, geralmente, é baseado na vanaçao de nível do líquido no poço de sucção, que é a forma mais simples e comum de se estabelecer um vínculo entre a vazão afluente e a vazão de recaIque. I~Q' \

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Engenheiro Eletricista, Consultor.

Figura 9.24 - Controle por bóias.

308 •

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

ELEVATÓRJAS

SANITÁRIO

São, geralmente, utilizados em grandes elevatórias com muitos pontos de comando e, também, nas elevatórias de bombas de rotação variável. Um tipo desensor pneumático usado nas elev~tórias de esgoto é o do tipo tubo de borbulha, que consiste em introduzir um tubo dentro do líquido, com a ponta alinhada com o nível mínimo. O elemento de pressão é ligado a uma linha de ar comprimido, sendo a pressão levemente superior à altura da coluna líquida. O ar borbulhará através dos furos do tubo indicando o nível, pois o sensor de pressão está calibrado com esses níveis. Um aumento de nível do líquido provocará a necessidade de uma pressão de ar maior para permitir a saída das borbulhas. O contrário acontece com a diminuição de nível e essa variação de pressão atuará sobre o sensor. A pressão de ar comprimido utilizado no borbulhador não deverá ser superior a IO,33m, pois essa pressão é suficiente para manter o tubo livre de obstrução. Esse sistema permite operar adequadamente em pequenas variações de níveis e, nos casos extremos, pode-se utilizar um transmissor e ampliar o diferencial de pressão.

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SANITÁRIO

309

Capacitância elétrica

Sensores pneumáticos

A TUBuLAçlo·

DE ESGOTO

Um capacitor consiste de dois condutores separados por um isolante. Os conduto[€s são chamados de placas e o isolante é conhecido por di elétrico. A medida que o nível do líquido aumenta, o ar, cuja constante dielétrica é baixa, é substituído pelo líquido cuja constante é mais alta. Como a constante dielétrica do capacitor varia linearmente com o nível, a mesma variação ocorre com a ca~acitância. ~ssim, é possível medir o nível do líquido no poço de sucção, medindo-se a vanação de sua capacitância. O campo de aplicação da capacitância elétrica é análogo aos dos sensores pneumáticos.

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9.26 - Capacitância

elétrica. Fonte: Garden (/976).

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DE LIMPEZA

9.25 - Sensor pneumático.

Fonte: Catálogo da Taylor Instrumentos

do Brasil Ltda.

Sensores elétricos Os sensores elétricos utilizados em elevatórias de esgotos são: - capacitância elétrica; - eletrodos; - ultra-som.

Esse sistema consiste de uma série de eletrodos colocados em diferentes níveis no poço. Quando o nível do líquido alcança o eletrodo, fecha-se um circuito elétrico que através de relês, efetua o controle do sistema de bombeamento. Os eletrodos são raramente usados em elevatórias de esgotos, devido à necessidade de sua limpeza contínua para que os materiais encontrados no esgoto não prejudiquem o seu funcionamento. Ultra-som O sensor de nível, do tipo ultra-som, é o mais indicado para utilização em medição de nível de esgoto, porque o elemento sensor não tem contato com o líquido. O sistema de medição utiliza um sinal ultrasônico, emitido por um transdutor e refletido pela superficie a ser medida. O tempo de transmissão do sinal é medido

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310

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

ELEV ATÓRIAS

DE ESGOTO

SANIT ÁRJO

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eletronicamente determinado-se o nível do líquido. O medidor ultrasônico fornece sinais de 4 a 20 mA. Esses medidores são fornecidos com controlador eletrônico. 9.9.

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VAZÃo

VARIAOORES DE ROTAÇÃO DAS BOMBAS

figllra 9.~8- Controle de vazão pela variação de rotação da bomba.

As vazões de esgoto afluentes às elevatórias estão sujeitas às variações horárias e diárias, e também, variações ao longo do tempo, devido principalmente ao crescimento populaciona1. A condição ideal em uma elevatória é aquela em que a vazão bombeada é igual à vazão afluente. Para o recalque do esgoto acompanhando essas variações, podem ser utilizadas vários conjuntos elevatórios e/ou os variadores de rotação das bombas Atualmente, têm sido muito utilizados os variadores de rotação devido principalmente a economia de energia elétrica, à diminuição das dimensões do poço de sucção das elevatórias e ao aumento do fator de potência dos motores das bombas proporcionada por esses equipamentos. As bombas de rotação variável podem ser consideradas corno urna somatória de infinitas bombas de rotação constante. Pela variação de rotação, a característica da bomba poderá ser modificada para atender as necessidades do sistema. Conforme mostra a figura 9.28 não se verificarão grandes perdas adicionais ao sistema hidráulico, embora coin a diminuição de vazão haja uma pequena diminuição no rendimento da bomba. A determinação dos efeitos da variação da rotação na vazão, altura e potência da bomba, poderá ser feita através das leis da similaridade apresentadas no item 9.6.1.1 - relações características nas bombas centrífugas.

Os principais tipos de variadores de rotação das bombas são: • • • • •

variador eletromagnético; variador de tensão. variador hidráulico; variado r de resistência; variador de freqüência.

Os variadores de rotação apresentam rendimentos diferentes. A figura 9.29 apresenta o rendimento dos variadores em função da rotação. Observa-se nessa figura que, quando a rotação é de 50%, o rendimento dos variadores hidráulico, de resistência, eletromagnético e de tensão, situam-se na faixa de 25 a 47%. Aumentando a rotação, o rendimento aumenta linearmente, A figura também mostra que o variador de freqüência apresenta o melhor rendimento, situando-se na faixa de 75 a 85%, quando a rotação varia de 50 a 100% . Dentre os vários tipos de variadores referidos destacam-se os variadores hidrocinéticos (variador hidráulico) e os inversores de freqüência (variador de freqüência). Devido ao custo de aquisição e manutenção do variador de rotação é necessário um estudo técnico e econômico para a sua utilização, comparando-se com o uso de bombas de rotação constante. Se o sistema de bornbeamento for bem planejado e

312

COLETA

E TRANSPORTE

90

60

ez

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313

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

60

AGÊNCIA PARA APLICAÇÃO DE ENERGIA. - Auto-Avaliação dos Pontos de Desperdício de Energia Elétrica na Indústria. CESP/COMGÁS/CPFLlELETROPAULO. São Paulo. 1986.

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SANITARIO

70

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DE ESGOTO

O número de elementos de comando e supervisão, depende da complexidade do sistema de bombeamento e das necessidades individuais de cada sistema. Dependendo da complexidade do sistema operacional da elevatória, poderá ser utilizado o controlador lógico prograrnável (CLP).

100

~

ELE V ATÓRIAS

DE ESGOTO SANIT.-\RIO

'0

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30

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60

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ROTAÇÃO

Figura

9.29 - Rendimento

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100

1%)

dos variadores em função da rotação.

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operado, de-modo que as bombas funcionem em condições de efetiva vadação de rotação em função das vazão, o variador de rotação pode trazer uma economia significativa de energia elétrica. 9.10.

PAINEL DE COMANDO ELÉTRICO

São utilizados em estações de bornbeamento para operar e supervisionar todo o sistema elevatório. O painel de comando é basicamente constituído dos seguintes elementos: • comando liga-desliga das bombas; • chave seletora automático-manual; • chave seletora de bombas; • alarme e sinalização de defeitos; • sinalização de operação; • indicador de corrente (amperimetro); • indicador de tensão (voltímetro); • relês auxiliares; • controle de rotação do motor; • supervisão do sistema, Em elevatórias de maior porte, poderão também ser incluídos medidores contínuos de nível, de vazão, de totalizador de vazão etc.

BONILHA, J.R. et ai. -Instlllâçãode Piracicaba, 1992.

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10

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TSUTIYA, M.T. -- Estações Elevatórias de Esgotos: Principais Aspectos de Projeto. Dissertação de Mestrado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo. 19X3. TSUTIYA, M.T. - Redução do Custo de Energia Elétrica em Estações Elevatorias de Sistemas de Abastecimento de Água de Pequeno e Médio Portes. Tese de Doutoramento. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo. 1989. TSUTIYA, M.T. - Sistema de Abastecimento de Água -- Tópicos Especiais. Diretoria Técnica e Meio Ambiente. Superintendência de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico. 132 p. SABESP. São Paulo. 1997. VALLlLO, D.C.; KUBOTA, H.; TSUTIYA, M.T.; UEDA. S. - Utilização de Bombas de Rotação Variável em Obras Sanitárias. Revista DAE, NU 126, p. 266-274, Set, 1981. YASSUDA, E.R.; NOGAMI, P.S. - Bombas e Estações Elevatorias. In: Técnicas de Abastecimento e Tratamento de Água. Capo 11. CETESB. São Paulo. J 978. WPCF. - Desing and Construction of Sanity and Slorrn Sewer. Washington, D.C. Manual of Practicetv" 9, 1970.

A localização das elevatórias nos sistemas de esgoto sanitário decorre do traçado do sistema de coleta. Situam-se, em geral, nos pontos mais baixos de uma bacia ou nas proximidades de rios, córregos ou represas. Para a escolha do local adequado à construção de uma estação elevatória devem ser considerados os seguintes aspectos: • as dimensões do terreno deverão satisfazer às necessidades presentes e à expansão futura; • baixo custo e facilidade de desapropriação do terreno; •. disponibilidade de energia elétrica; • facilidade de extravasão do esgoto em condições de eventuais paralisações dos conjuntos elevatórios; • topografia da área; • sondagens do terreno; • facilidades de acesso; .' estabilidade contra erosão; • menor desnível geométrico; • trajeto mais curto da tubulação de recalque; • mínimo remanejamento de interferências; • menor movimento de terra; • influências nas condições ambientais; • hannonização da obra com o ambiente circunvizinho. 10.2.

CLASSIFICAÇÃO DAS ELEVATÓRIAS

As elevatórias têm sido classificadas de diversas maneiras e os critérios mais comuns são: 3

3

• capacidade (m /s, m /h, fJs); • fonte de energia (eletricidade, diesel etc.);

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316

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

• método construtivo (convencional, pré-moldada etc.); • altura manométrica; • função específica. De acordo com sua capacidade, as elevatórias de esgotos são classificadas em: • pequenas: menos de 50 fjs; • médias: 50 a 500 fls; • grandes: superior a 500 fjs; e de acordo com sua carga, em: • baixas: menos de 10m; • médias: 10 a 20 m; • altas: superior a 20 m. A tabela 10.1 apresenta a classificação das elevatórias em função do tipo, capacidade e método construtivo. Tabela 10.1 - Classificação

Elevatórialtip6 Ejetor pneumático Pré-rnoldada poço úmido poço seco Convencional Pequena Média Grande

10.3.

das elevatórias.

Capacidade (m3/s) < 0,02 0,006 - 0,03 0,006 - > 0,1 0,2 - 0,09 0,06 - 0,65 >0.65

TIPOS DE ELEVATÓRIAS

A escolha do tipo de elevatória dependerá basicamente dos seguintes fatores: local ização; capacidade da elevatória; número, tipo e tamanho das bombas; projeto estrutural; projeto arquitetônico e aspectos estéticos. O tipo da elevatória também pode ser definido pela área disponível para sua construção ou, ainda, por sua superestrutura. Os tipos de elevatórias podem ser classificados segundo as bombas a serem utilizadas. Na tabela 10.2 são indicadas as bombas utilizadas e os tipos de elevatórias correspondentes.

PROJETO

Tabela

DE ESTAÇÕES

ELEVATÓRIAS

317

10.2 - Tipos de clevatórias.

Bomba

Tipo de elevatória

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Ejetor pneumático Parafuso Centrífuga

Elevatória com ejetor pneumático Elevatória com bomba parafuso Elevatória convencional

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)

10.4.

ELEVATÓRIAS COM EJETORES PNEUMÁTICOS

As elevatórias com ejetores pneumáticos são utilizadas para recalcar pequenas vazões a alturas manométricas reduzidas. A capacidade do ejetor varia normalmente de 5 a 15 Os não ultrapassando 20 fjs,já que, para vazões superiores a esta, o consumo de energia cresce demasiadamente. As elevatórias com ejetores sempre devem ser projetadas com uma unidade de reserva, a fim de assegurar que o serviço não se interrompa no caso de falha mecânica de uma unidade ou durante os períodos que requeiram a remoção do equipamento para reparos, manutenção ou limpeza. É conveniente que seja instalado um reservatório rl ar entre o compressor e o ejetor para reduzir a freqüência de partida do compressor, diminuindo também a potência do mesmo. A perda de carga na linha de recaIque pode ser calculada através de fórmulas usuais; entretanto, é recomendável que se considere o dobro da vazão de projeto para efeito desse cálculo. O ejetor é razoavelmente livre de problemas operacionais, mas mecanicamente é menos eficiente do que a bomba e sua eficiência, bastante baixa, está limitada a cerca de 15%. Suas principais vantagens são:

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• o esgoto permanece encerrado durante sua passagem pelo ejetor e, conseqüentemente, não há escape de gás do esgoto, a não ser pelo respiro; • o funcionamento é completamente automático e o ejetor só funciona quando necessário; • o número relativamente pequeno de peças móveis em contato com o esgoto requer pouca manutenção; • os ejetores não se obstruem facilmente; • não é necessário o prévio gradeamento do esgoto, pois as válvulas e condutos de ligação deixam passar livremente quaisquer sólidos que entrem no esgoto.

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A figura 10.1 apresenta um tipo de elevatória com ejetor pneumático. )

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318

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

319

DE ESTAÇOESELEVATÓRlAS

) Um ejetor pneumático mais simples é o tipo pneu pump, de baixo custo e excelentes resultados operacionais. O pneu pump é constituído de um tanque fechado, com um tubo de descarga localizado na parte central, possuindo apenas uma parte móvel que é a componente da válvula de entrada do líquido. A operação do ejetor é controlada por um tubo especial denominado seal pipe e ligado ao tubo de descarga (figura 10.3). À medida que o líquido sobe dentro do tanque, o seal pipe se enche e fecha a saída do ar comprimido proveniente de um compressor, assim criando uma pressão dentro do tanque c expulsando seu conteúdo. Quando o tanque esvazia, o seal pipe se abre e o ar comprimido se dissipa através do tubo pelo qual o líquido é expelido. Quando isso acontece, o tubo de descarga está sem o líquido, a pressão volta ao normal e reinicia-se um novo ciclo. A fase final de cada ciclo de descarga é um rápido esguicho de ar e líquido, o qual previne qualquer bloqueio dos tubos. As dimensões básicas do pneu pump são apresentadas na tabela 10.3.

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10.3 - Dimensões

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9"1/4 12"1/2 14"3/8 16"3/4

3" 4"1/4 8" 9"1/8

27,22 69,85 177,80 254,00

cheio de água 45,36 124,74 279,40 406,40

As figuras 10.2 e 10.3 apresentam esquemas da elevatória com ejetor pneumático tipo pneu pump, utilizado na cidade de Piratininga (SP). O equipamento foi instalado num poço de visita comum e projetado para recalcar uma vazão de 0,68 fls a um desnível geométrico de 4,31 m. Seu funcionamento é intermitente e automático, controlado por bóias que acionam um compressor de 1/2 cv, com deslocamento de ar de 70 eJmin. Seu ciclo de operação é de 80 segundos, sendo 70 segundos para enchimento e 10 segundos para descarga; o consumo de energia é de 100 kW /mês. Embora a pressão máxima de ar recomendada para esse equipamento seja de 20 m.c.a, tem sido utilizada pressão bem maior sem nenhum problema ..

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320

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

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DE ESTAÇÕES

ELEVA TÓRIAS

321

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ELEVATÓRIAS COM BOMBAS PARAFUSO

A câmara de montante deve ser dimensionada utilizando-se as mesmas considerações apresentadas para o dimensionamento do poço de sucção para bombas de rotação constante. A câmara de jusante deve ser projetada de modo que a distância entre o nível de descarga e o nível de lançamento.seja igual a 15% do diâmetro externo do parafuso e a distância entre o nível máximo e o nível de lançamento seja de aproximadamente 50 mm, d 2 Õ

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Figura 10.2 - Elcvatória com ejetor pneumático,

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Por suas instalações e baixo custo tanto de implantação quanto de operação e manutenção, o ejetor pneumático tipo pneu pump é recomendável para vazões de até 4,54 tis e altura manométrica de 9,14 m (por unidade), conforme apresentado na tabela 10.3. Maiores detalhes desse tipo de elevatória são apresentados no trabalho elaborado por Tsutiya (1989).

Devido às suas características, as elevatórias com bombas parafuso são, em geral, utilizadas próximo à estação de tratamento de esgoto localizada fora da área urbanizada. O processo elevatório é inteiramente visível em todos os seus detalhes podendo conduzir esgoto muito poluído sem maiores problemas. Nas figuras 10.4 e 10.5 são apresentados esquemas de uma elevatória de esgoto com bomba parafuso.

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Para alcançar a máxima eficiência no bornbeamento é essencial que a folga entre a bomba e o leito seja a menor possível. Para assegurar afolga correta e obter um acabamento liso é usual e recomendável que a conformação final do leito de concreto seja executada com a bomba já instalada. Pára as bombas com diâmetro de parafuso inferior a 750 mm pode-se utilizar o leito em chapa de aço.

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ELEVATÓRIAS CONVENCIONAIS

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Classificação

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De acordo com a instalação dos conjuntos elevatórios, as elevatórias convencionais podem ser classificadas em:

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• Poço seco: Figura

10.3 - Bomba pneu pUlllp

conjunto conjunto conjunto conjunto

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motor-bomba de eixo horizontal; vertical de eixo prolongado-bomba não submerso; motor-bomba de eixo vertical-bomba não submerso: motor-bomba auto ecorvante,

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COBERTURA COM TELHA CANALETE

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10.5 - Elevatória com bomba parafuso - corte

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324

COLETA

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POÇO

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO

DE ESTAÇOES

ELEVATÓRIAS

325 i

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- conjunto vertical de eixo prolongado - bomba submerso; - conjunto motor-bomba submerso.

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Elevatórias

convencionais

Elevatórias

convencionais

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DE EIXO

HORIZONTAL

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de poço seco

As elevatórias convencionais de poço seco têm o poço de sucção separado da casa de bombas. Por ser dimensionado e detalhado da mesma maneira para todas as elevatórias convencionais, o poço de sucção será considerado posteriormente, sendo que neste item são considerados apenas os aspectos relativos à casa de bombas. A casa de bombas, também denominada poço seco ou sala de bombas, deverá ser adequada para abrigar os conjuntos selecionados, incluindo os elementos de montagem e os elementos hidráulicos complementares. As dimensõesda casa de bombas devem ainda permitir facilidade de locomoção, manutenção, montagem, desmontagem, entrada e saída dos equipamentos e, quando for o caso, abrigar os dispositivos de serviço para manobra e movimentação das unidades instaladas. Caso o piso da casa de bombas esteja localizado abaixo do nível máximo do líquido no poço de sucção, é recomendável prever uma bomba de drenagem. Além de ser adequadamente iluminada e ventilada, a casa de bombas, na medida do possível, deve ter formas e dimensões apropriadas em termos estruturais, e econômicas quanto ao aspecto construtivo. Para ilustrar as elevatórias convencionais de poço seco são apresentadas as figuras 10.8 a 10.13. 10.6.3.

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CONJUNTO MOTOR·BOMBA DE EIXO HORIZONTAl BOMBA

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10.6 - Elcvatórias

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326

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

PROJETO

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10.7 - Elcvatórias

convencionais

de poço úmido. Fonte: Gruyter (/974).

inundações e ser construídas em regiões densamente povoadas,já que são enterradas e não exalam odores sensíveis. Como são totalmente subterrâneas, não alteram a urbanização existente. Estas elevatórias apresentam, em geral, custo global inferior às elevatórias que utilizam outros tipos de bombas. A SABESP padronizou as elevatórias convencionais de poço úmido utilizando conjunto motor-bomba submerso. Essa padronização elaborada pelo eng. Rolando Roberto Santoro foi fundamentada em várias pesquisas e estudos realizados para esse tipo de elevatória e visa atender aos seguintes requisitos:

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DE ESTAÇOES

ELEVA TÓRIAS

327

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COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO DE ESTAÇOES ELEVATÓRJAS

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329

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COLETA E TRANSPORTE

PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS

DE ESGOTO SANITÁRIO

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342

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COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO

Tabela 10.4 - Valores para o pré-dimensionamento de elevatória com conjunto motor-bomba submersos, conforme padronização da SABESP.

) Dimensões da elevatória (em mm)

1""'.-

) "

Vazão pl bomba em tis

)

eo 70 80

so

)

100 150 200 250 300 350 400 450 500

) )

Bmínimo

1150 .1200 1350 1450 15SO 1650 2000 2300 2600 2900 31SO 3300 3450 3750

SO

)

Aminimo

500 520 550 615 650 750 850 1110 1200 1300 1400 1500 1600 1700

C

D

E

240 255 280 295 310 330 400 480 510 600 620 6Ç() 710 720

150 170 185 195 200 210 250 300 330 3(/) 420 450 4c;o 510

900 960 1000 1030 1050 1100 12SO 1350 1450 1500 1550 1600 1650 1700

Obs.: As dimensões para vazões menores que a indicada na tabela podem ser as mesmas para 50 tis. F - Dimensões L acrescido de 150 mm L - Dimensão correspondente ao modelo da bomba G e H - Dimensão a ser definida com o modelo da bomba 1- Dimensão a ser definida pelo projeto, porém nunca inferior a 1.500 mm J - Cota mínima de desligamento da bomba N - Dimensão definida em função do diâmetro da tubulação de reealque M - a ser definida pelo projeto

COLETOR

Dimensões da c1evatória (em mm)

SO

eo

70 80

so 100 ISO 200 250 300 350 400 450 500

1500 1580 1680 1810 1880 2100 2550 3000 3350 36SO 4100 4450 4750 5000

800 8SO 950 1000 1100 1350 15SO 1750 2000 2200 2520 2650 2800 2900

3 Bombas E 600 650 700 750 820 1000 1120 1250 1380 1500 1850 19SO 2050 2100

Diâmetro A mín. 2000 2100 2250 2420 2600 3000 34SO 3800 4200 4800 5200 5750 6100 6500

1100 1200 1320 1460 ISSO 1800 2100 2350 2600 2950 3200 34SO 3700 3900

AFLUENTE

para qualquer elevatória

4 Bombas E 820 950 IOSO 1150 1200 1300 14SO 15SO 1650 1750 1930 21SO 2320 2730

Diâmetro A mín. 2500 27SO 2920 3150 3400 3980 4300 5000 5700 6300 7000 75SO 8100 8700

14SO 1600 1700 1950 2100 2300 23SO 2780 3000 33SO 3600 3900 4300 4700

E 1000 1150 1200 1350 1480 16SO 1850 2100 2300 2600 28SO 3100 3400 3650

B 500 520 550 615 650 750 8SO 1100 1200 1300 1400 . 1500 1600 1700

D ISO 170 185 195 200 220 250 300 330 3(/) 420 4SO 4c;o 510

Obs.: As dimensões para vazões menores que a indieada na tabela podem ser as mesmas para 50 tis. F - Dimensão L acrescida de 150 mm L - Dimensão eorrespondente ao modelo da bomba G e H - Dimensão a ser definida com o modelo da bomba 1- Dimensão a ser definida pelo projeto, porém nunca inferior a 1.500 mm J - Cota mínima de desligamento da bomba N - Dimensão definida em função do diâmetro da tubulaçâo de recalque

343

POÇO DE SUCçÃO

ELEVATÓRIA CIRCULAR Vazão pl 2 Bombas bomba em tis Diâmetro A mín.

ELEVATÓRIAS

o poço de sucção de uma elevatória de esgoto é uma estrutura de transição que recebe as contribuições dos esgotos afluentes e as coloca à disposição das unidades de recalque. Devido ao custo e às dificuldades construtivas e operacionais, é desejável que o poço seja projetado de modo a obter profundidade mínima, embora esta esteja condicionada pelos condutos afluentes à elevatória. Para a proteção das bombas, geralmente são instalados cestos ou grades no interior do poço ou em compartimento adjacente. O volume requerido do poço de sucção para se ter um funcionamento adequado dos conjuntos elevatórios depende, principalmente, do número de partidas dos conjuntos elevatórios, da quantidade e da seqüência operacional das bombas de rotação constante ou variável. Outro aspecto importante é manter uma submergência adequada na sucção, a fim de evitar a entrada de ar na bomba devido ao fenômeno de vórtice. O poço de sucção deverá ter uma estrutura constituída de paredes verticais e laje de fundo com inclinação no sentido da sucção das bombas, a fim de evitar a deposição dos materiais sólidos e facilitar sua limpeza. Alguns valores dessa inclinação são apresentados na figura 10.17.

ELEVATÓRIA RETÂNGULAR

)

10.7.

DE ESTAÇÕES

C 240 255 280 295 310 330 400 080 510 600 620 6Ç() 710 720

succâo

suecÃo

a) SABESP (1979)

b)WPCF(1981)

COLETOR AFLUENTE

sucção

c) Metcalf & Eddy(1981) Figura 10.17 - Algumas configurações

de poço de sucção.

)

qi , I·, ,ii.lj !ltíl, " ~'t 344

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO DE ESTAÇOES

345

!';;lt

e o nível

!''l! ::li!

ELEVATÓRIAS

atluentes à elevatória podem ser utilizados como parte integrante do volume do poço de sucção. Neste caso, o nível de partida das bombas ficará acima da geratriz inferior coletor afluente. De acordo com Metcalf & Eddy (1981), cerca de 50% do volume total pode ser armazenado nos coletores, observando-se, no entanto, que algumas elevatórias nos Estados Unidos foram executadas praticamente sem poço de sucção. Os coletores afluentes, como integrantes do volume do poço de sucção, também foram utilizados pela SABESP em uma das elevatórias da cidade de Guarujá (SP), com resultados operacionais satisfatórios.

• Volume útil é o volume líquido compreendido entre o nível máximo mínimo de operação do poço (faixa de operação das bombas);

Convém salientar que o volume do poço de sucção deve ser calculado determinado-se o volume útil e veri ficando se o tempo de detenção do esgoto no volume efetivo é compatível com as recomendações que serão posteriormente apresentadas.

O volume

) )

.

)

I •. "

)

ti,

• Volume efetivo, para cálculo do tempo de retenção de esgotos, é aquele compreendido entre o fundo do poço e o nivel médio de operação das bombas.

a) Determinação

(

I.t<

,

É indispensável

prever todas as facilidades para acesso, limpeza, iluminação e ventilação do poço. Os acessos ao poço devem ser localizados fora da casa de bombas e de outros compartimentos da elevatória, a fim de evitar a entrada dos gases de esgoto que emanam do poço de sucção.

)

iiH!í I·

. A WPCF (1981) admite que os coletores

)

do volume útil

I

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)

,

útil do poço de sucção é determinado

"

)

'it

)

considerando-se:

.,

10.7.1

Dimensionamento

•

do Poço de Sucção

O poço de sucção pode ser dimensionado

Intervalo ciclo);

de tempo entre partidas sucessivas

~: 1 . ,

para

para determinar

bombas

o volume

de rotação

do poço de sucção

• Aspectos hidráulicos relacionados à prevenção da formação de vórtices; • Seleção, projeto e posicionamento das bombas, tubulações e válvulas; • Volume de reserva para absorver eventuais paradas de bombeamento e para absorver incremento de vazões nas horas de pico; • Relação entre a vazão afluente e a capacidade das bombas, bem como o número de partidas por hora para o qual o motor da bomba e o equipamento elétrico foram dimensionados; • Volume menor possível para que o tempo de detenção excessivo, evitando-se a septicidade desse esgoto. o dimensionamento

sucção estão basicamente

)

)

(

) :i -.!;

são:

Entretanto,

li!'" q::

, ~~11{1

,

Tempo de ciclo (T)

do poço de sucção

Os fatores a serem considerados

)

:\

. ij

Esse parâmetroé Dirncnsionamento constante

de

• Vazão de bornbeamento.

considerando-se:

• Bombas de rotação constante; -. Bombas de rotação variável.

10.7.1.1

do motor da bomba (tempo

do esgoto

aos dois últimos fatores citados, sendo que:

importância,

pois durante a partida do motor da

)

bomba é gerada uma determinada quantidade de calor. Essa energia liberada em cada partida deverá ser dissipada, sendo que um número excessivo de partidas poderá levar o motor a um super aquecimento. A dissipação dessa energia é feita através de um intervalo de tempo adequado entre partidas sucessivas do motor da bomba. Para determinar o tempo de ciclo (T) existem diferentes critérios, sendo os mais usuais apresentados na tabela 10.5.

) ) ) ) )

Tabela

10.5 - Recomendações

)

para escolha do tempo de ciclo

Autor ou entidade

Potência do motor

Tempo de ciclo

SABESP

< 300 cv > 300 cv

10min consultar os fabricantes 10min 15min 30min 60min 10min lSmin 20 a 30 min consultar os fabricantes

Flornatcher

(1972)

não seja

do volume útil e do volume efetivo do poço de

condicionados

de fundamental

I

Metcalf

& Eddy (1981)

até 15 HP 20 a 50 HP 60 a 200 HP 250 a 600 HP até 20 HP 20 a 100 HP 100 a 250 HP > 250 HP

) I

,

) ) ) ) )

,

) )

I

)

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346

j

)

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO

Devido à importância do tempo de ciclo (T) no dimensionamento do poço de sucção, sugerimos sempre que se consulte os fabricantes de motores sobre o número máximo de partidas, qualquer que seja a potência do motor.

) ) )

) ) )

DE ESTAÇÕES

. "

;'

':

'

,

'

"

ELEVA TÓRIAS

347

(10.2) admitindo Q>Q., caso contrário, o nível do poço continuará a subir mesmo com a bomba em operação. . ,

Vazão de bombeamento

.

Sistema com duas bombas: Será considerada inicialmente a seqüência operacional coma operação de apenas uma bomba, estando a outra de reserva. A capacidade da bomba deverá ser igualou superior à máxima vazão afluente ao poço de sucção. Q

)

(j\

o tempo

de ciclo será: (10.3)

Substituindo na relação (10.3) as equações (10.2) e (10.1):

Q (j\

V

V

o,

Q-Qa'

T=-+--

)

1-------+---+----1

NIVEL

1 - LIGA

(10.4)

T=V[ ~a + (Q.IQa)]

(10.5)

V·

f-------+---+----I

NI V EL

A vazão afluente para a qual o tempo de ciclo é mínimo decorre de sua derivada, em relação à vazão afluente, igualada a zero:

o - OESLIGA

dT =0

ao, Figura

(10.6)

10.18 - Sistema com duas bombas (I bomba + I reserva)

Seja:

dT [I 1 dQa =V - Q~ + (Q-Qaf

Q = capacidade da bomba, ml/min; Q,= vazão afluente ao poço, ml/min; V = volume útil do poço de sucção, compreendido entre o nível I (nível de partida) e o nível O (nível de parada), m'; T = intervalo de tempo entre duas partidas sucessivas de uma bomba (tempo de ciclo), mino

o tempo

de ciclo(T) consta de duas parcelas:

V

p

T=Qa

=0

(10.7)

(*)

Resolvendo a equação (10.7) obtém-se:

Q

Qa = 2"

(denominada vazão crítica)

(10.8)

Isto significa que o tempo decorrido entre duas partidas sucessivas é mínimo,

• tp - tempo necessário para encher o poço do nível O ao nível I t =

1

(10.1)

(*) Derivada vdu· udv

• top - tempo necessário para esvaziar o poço desde o nível I até o nível O

v2

-;

348

COLETA

E TRANSPORTE

I

T

DE ESGOTO SANITÁRIO

quando a vazão afluente é a metade da vazão da bomba. Nessas condições tI'e top são iguais.

)

í!! PROJETO DE ESTAÇÕES

BOMBA

Bz

I I

I

:

I

i

:

;;i ) I:! ,

I

t- "=~I.

Portanto, o volume mínimo será:

=-_T_2

-=-,:,__

I

I

I

I I I

I I I

.L

L.

i",1Hh, .!.\I'. ·~~t')~) "'.Ii! 11

TI _~

li:, )

Figura 10.19 - Sistema com duas bombas operando altcrnadamcntc. 01

°z

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'"-

f---

~

.

'

sendo: TI = tempo que a bomba está ligada; T 2= tempo que a bomba está parada.

;

!

j.! ) I.:

N;m';\\N~~\'/ o

)

(

i/

O sistema de comando das bombas será:

NíVEL

)

',;111· )

(10.10)

Em 'elevatórias com duas bombas é usual que elas operem alternadamente. Para a alternância das bombas utiliza-se um sistema de comando que permite o revezamento automático entre as bombas, sempre que o nível do esgoto atingir o nível superior. Quando o nível baixar, devido à entrada em funcionamento de uma das bombas, o circuito prepara a ligação da outra, que será acionada quando o esgoto atingir o nível superior. Entretanto, se a bomba que está funcionando sofre uma paralisação, por exemplo, pela abertura do relé térmico de sobrecorrente, o sistema de comando ligará automaticamente a outra. Neste caso, toda vez que o comando chamar a bomba paralisada, a outra bomba entrará em operação. Portanto, a bomba que estiver funcionando fará o seu ciclo e o da outra. O sistema com duas bombas operando alternadamente é considerado a seguir.

& ~

I I~

I

fi 111111

I)

'!tI ,) ; fj

(10.9)

Q

349

ELEVATÓRIAS

Considerando as duas bombas iguais (BI=B2) e, portanto, QI=QZ' obtém-se:

I:

T= 4V

I

I'

~~////LI~_,-_---:--_--,VZZ

Substituindo (10.8) na equação (10.4) resulta em: ..

)

,

:\'1I1' ) !

. 'I'

•• _ ;~ I

)

!lf

) )

,

. !,'

)

__ DI

)

D,

) onde: LI = liga BI; Lz = !igaBz; DI = desliga BI; D2 = desliga B2•

) )

) )

O tempo de ciclo (T) será:

,,"

,

(10.11) NIVEL

l-LIGA

)

B • B I Z

)

Como as duas bombas estão operando alternadamente, o tempo efetivo para o cálculo do volume útil do poço será:

~~ 8

2

)

) , )

ÇQ

8,

t

T =-=(T1 2,

+TJ) -

(10.12)

I

)

) ()

') ) )

) )

PROJETO DE EST/\ÇÕES

350

COLETA E TR/\NSPOIrI'E

ELEVATÓRIAS

351

DE ESGOTO S/\NITÁRIO

Nos casos em que duas bombas operam alternadamente, o cálculo do volume do poço deve ser efetuado pela expressão (10.10).

Sendo:

) (l0.13)

) )

(10.14)

J

Sistema com várias bombas: o cálculo do volume útil mínimo do poço de sucção para elevatórias com várias bombas é baseado nas premissas mencionadas anteriormente. Para um sistema constituído de diversas bombas operando em paralelo, há várias seqüências possíveis de operação. A seguir, serão apresentadas as duas principais.

)

)

• Seqüência de operação I: considera-se um sistema com três bombas (duas bombas + uma reserva).

Obtém-se:

v

V

t =T, +T2 =-+---

Q"

(10.15)

Q-Q"

A condição crítica será:

~=o

Se a vazão afluente for menor que a capacidade da bomba 81. o funcionamento será análogo ao sistema descrito anteriormente (sistema com duas bombas). Quando a vazão afluente for maior que a capacidade da bomba BI, a bomba 82 será acionada no nível 3, próximo ao nível de partida da 8, (figura 10.20).

(10.16) Q,

dQ

\

./

I--

) )

rO\

ÍÕ\

Resolvendo a equação (10.16) obtém-se: Q

Q"

(10.17)

=-:;-

-Ir-

°2

I--

J"

Q

\0

)

) }

J:

O volume será mínimo quando a vazão afluente for a metade da vazão da

) ) )

)

J )

'lz HIVEL NIVEL

Portanto:

~993

QT

v Como

QT

v=-

92

DESLIGA

82 81

(Q. 9,

Figura 10.20 - Sistema com três bombas (duas bombas + uma reserva), desligando em N.A. diferentes.

T

t =

~Q

2 - OESLlGA

o -

(10.18)

4

) )

82 81

1 -LIGA

bomba.

) )

v,

NIVEL3-LlGA NIVEL

2"

,

.obtérn-se:

(10.19)

.8

Observa-se que a expressão (10.19) deve ser utilizada nos sistemas em que duas bombas trabalham alternada mente, mantendo-se mais uma bomba de reserva.

Um determinado volume será recalcado pelas duas bombas até que atinja o nível 2, quando a bomba 82 será desligada. Se a vazão afluente for menor do que a capacidade da bomba 8" o líquido atingirá o nível O, que é o nível de parada da 81, Caso contrário, o nível poderá subir até atingir o nível 3) acionando novamente a bomba 82, Neste caso, a bomba 81 ficará ligada continuamente, quando Q.,>QI' e a bomba B2 ficará ligando e desligando normalmente.

'j

•

, ) )

)

(

352

COLETA E TRANSPORTE

PROJETO DE ESTAÇÕES

DE ESGOTO SANITÁRIO

ELEVATÓRIAS

353

)

Para sistema com três bombas (duas bombas + uma reserva) também poderá ser utilizado o revezamento automático entre as bombas, conforme esquema a seguir:

• Seqüência de operação 11: considera-se um sistema com três bombas (duas bombas + uma reserva)

o,

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NIVEL

lLl__

1 - LIGA

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NIVElO-OESLIGA

BeB

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P 92

)

8,

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de comando das bombas será:

)

3

Figura 10.21 - Sistema com três bombas (duas bombas+ uma rcscrva),dcsligando . NIVEL

I

82


93

NIVEL

2-L1GA

'"-eo

,

--------J

o sistema

)

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i

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11"\

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I

I

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em um único N.A.

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1

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\

Nessas condições, o sistema atua como se uma bomba ficasse permanentemente ligada (pois a vazão afluente é superior à capacidade de uma bomba), enquanto a outra continua ligando e desligando normalmente. Como se pode veri ficar, os dois sistemas são análogos e sua diferença reside no fato de que no último há um revezarnento entre as bombas. Observa-se que, neste caso, o projeto elétrico será mais complicado. A bomba reserva também poderá operar, havendo um revezarnento automático entre todas as bombas. Quanto ao cálculo do volume útil, o mesmo poderá ser determinado através da equação (10.10). Para o sistema com quatro ou mais bombas, valem as mesmas considerações já feitas.

Nesta seqüência, se a vazão afluente for menor do que a capacidade da bomba 8\, o sistema se comporta como se tivesse duas bombas (uma de reserva). Caso contrário, o esgoto atingirá o nível 2, ligando portanto a bomba B2· As duas bombas recalcarão uma determinada vazão, atingindo o nível O, que é o nível de parada das bombas. Neste caso, também se poderá prever um revezamento automático entre as bombas. Para o cálculo do volume útil do poço de sucção para esta seqüência operacional, também poderá ser utilizada a equação (\ 0.1 O). Observa-se que Pincince (1970) desenvolveu outra metodologia de cálculo, cujos detalhes encontram-se no trabalho desenvolvido por Tsutiya (1983).

I, I

F

~.

')

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)

1,

)

)

) )

) )

Nota: Considerando tempo de ciclo de 10 minutos (6 partidas/hora) para os conjuntos elevatórios e alternância das bombas, geralmente o volume do poço de sucção calculado é inferior ao volume exigido pela configuração do poço para sistemas com duas ou mais bombas e seqüência operacional I ou lI. Determinação

do Volume Útil - Outros Métodos de Cálculo

I

)

) ) ) , )

Para a maioria dos autores, destacando-se WrCF (1984) , Metcalf & Eddy (1981), Prosser (1977), Pincince (1970) e ABNT ~ NB 56911989, o volume útil mínimo do poço de sucção é determinado por:

, ) ) ()

') ) )

354

)

COLETA

E TRANSPORTE

PROJETO DE ESTAÇ()ES

DE ESGOTO SANITÁRIO

A comparação

)

) ,

métodos

conclui

• Quando a diferença entre a vazão máxima e a mínima de bombeamento é menor do que 10%, pode-se considerar que os três métodos praticamente levam ao mesmo resultado;

) sendo: T = tempo de ciclo; Q = capacidade máxima

por Tsutiya (1983) entre os diversos

355

que:

(10.20)

)

realizada

ELEVATORIAS

da bomba.

)

• Se a diferença entre a vazão máxima e a minima de bornbeamento varia de 10 a 50'%. a diferença entre C I e C2 varia de 5,5 a 44,3% e C I e C3 de 5, I

)

a 29,3'%:

)

• Pode-se considerar que C2 e C3 levam a um mesmo diferenças são pequenas:

)

• O volume calculado lado pelas equações

)

resultado

pois suas

pela equação (10.20) será sempre maior do que o calcu(10.21) e (10.23).

)

h) Determinação do Volume Efetivo <,

)

'-

)

CURVA CARACTERI3TICA DO SISTEMA

O tempo de detenção do esgoto no poço de sucção é o critério determinação do volume efetivo.

)

•

\

/ 0'

) )

F'" , •

)

I

•

'~fd' .i: i~ 11; ,,~ I

Finura

10.22 - Associação

'"

VAZÃo

Q

da curva característica

do sistema com a da bomba

) ,.~II

Goldschmidt (1978) apresenta uma metodologia mais complexa para o cálculo do volume útil mínimo do poço, pois admite um decréscimo na ca~acldade de bornbeamento com a diminuição de nível no poço. Segundo Goldschrnidt o volume

) \ ~I'" J'.

será determinado

)

!II"I

I.,·,

I' I.

I' ••. ~ •.•

trl

)

) ) ) )

jj" li']'

W: !fIa: ili, ll

1

V

=

É recomendávelque' o tempo de detenção médio seja o menor possível não ultrapassando 30 minutos para a vazão média de inicio de plano ou de etapa, de modo que eventuais folgas nas dimensões do poço ele sucção devem ser evitadas. Entretanto, dependendo das condições hidráulicas de esgotamento da bacia ou subbacia que contribui para a elevatória, pode ser difícil concil iar este tempo máximo de detenção com o volume do poço de sucção. Em realidade, a máxima detenção ocorrerá para vazão mínima afluente no inicio de operação da elevatória. O tempo de detenção é um parâmetro importante, uma vez que a permanência excessiva do esgoto bruto no poço acarretará a emanação de gases. o que danifica a estrutura e o equipamento, além de criar sérios problemas para o operador. Sendo: V,. = volume

-1

i

Á

pela expressão:

i

.,

F+ I 2 I (-+ -rn - ) F 1- F F

Q1

"

,

= C2Q r

efetivo do poço de sucção, ru';

Q",= vazão média de projeto, afluente ção, m1/min;

(10.21)

Td = tempo de detenção

F=~

(10.22)

Q onde Q' é a vazão mínima Wheeler

de bombeamento.

(1979) propõe a seguinte expressão

) )

elevatória

no início de opera-

no poço, min;

(10.24) para o cálculo desse volume: sendo desejável

)

á

resulta:

) .I

básico para a

(10.23)

v; :::; Qm x 30 .

(10.25)

!) )

) )

356

COLEM E TRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

10.7.1.2. Dimensionamento variável Determinação

PROJETO DE ESTAÇ6ES ELEVATÓRIAS

do poço de sucção para bombas de rotação )

."

No entanto, zão mínima

por questões de segurança, para a bomba escolhida.

é recomendável

obter do fabricante

) )

a va-

)

Para o cálculo do volume do poço de sucção, tanto para bombas constante como para bombas de rotação variável, pode ser utilizada expressão:

do volume útil

357

. A.final~dade do uso de bombas de rotação variável émanter a vazão da bomba I~ual a va~ao afluente à elevatória ',Com isso, o volume do poço será mínimo, pois ha necessidade de atender as seguintes condições para o bom funcionamento das bombas:

de rotação a seguinte

) ) )

(10.26)

I

)

) • disposição

adequada

das tubulações

onde: V de sucção;

=

volume

mínimo do poço de sucção, m'';

)

Qv = capacidade

da bomba, mJ/min, ou incremento na capacidade de bornbeamento. quando uma bomba se encontra em operação e a segunda bomba é ligada, ou quando a rotação da bomba é aumentada;

• submergência mínima para evitar a entrada de ar na bomba; • controle das bombas.

o

ní:,el I~áximo do líquido no poço tem sido, em geral, definido na cota da geratnz inferior do coletor afluente e o nível mínimo, acima do topo da voluta da bomba, a fim de manter a bomba afogada e prevenir a entrada de ar.

T

) ,)

)

= tempo mínimo, em minutos, de um ciclo dc bombeamento

(tempo entre partidas sucessivas ou variação na rotação de uma bomba operando entre os limites de uma faixa de controle).

) I

Operação

)

com bombas de rotação variável

) ,I'

poço

DE

sucçAo

As bombas de rotação variável (VIS) podem ser consideradas como um somatório de infinitas bombas de rotação constante (C/S). As análises econômicas não recomendam o uso de uma única bomba de rotação variável nas elevatórias, porém, muitos bombeamentos podem ser mais econômicos se for utilizada a combinação de bombas VIS e C/S. Tais sistemas podem minimizar o número e o tamanho das bombas, reduzir o volume do poço de sucção e possibilitar um fluxo mais uniforme dos esgotos. De um modo geral, as bombas VIS podem ser mais eficientes do que as bombas CIS, quando a altura geométrica de recaI que é menor do que o somatório

-==T-~

BO'm

FIgura

das perdas de carga ao longo da tubulação. O sistema ideal para o bombeamento de esgoto é aquele em que a vazão afluente é igual à vazão bombeada. Neste caso, a curva de pressão requerida, sobre a qual a bomba deverá operar para manter o nível do poço de sucção constante, coincidirá com a própria curva característica do sistema. As bombas VIS e eIs podem ser associadas de diversas maneiras, sendo que as principais serão apresentadas a seguir, observando-se que as demais associações

10.23 - Poço de sucção para bombas de rotação variável.

D~vido às grandes flutuações das vazões afluentes à elevatória e visando a proteção das bombas, deve-se evitar que elas trabalhem a baixas vazões. Por isso é re~OI~endá~el que o volume do poço de sucção para bombas seja dllnenslOnado para a vazão mínima da bomba.

de rotação

no ponto de melhor rendimento

•

) ) )

) (

) )

)

.) ) )

dos casos citados.

)

.

Sistema com uma bomba de rotação variável

) )

Uma boa regra prática é limitar a vazão mínima a valores não inferiores 30% da vazão correspondente

variável

serão extensões

') i,

a 25 _

na rotação l~áxima.

Para um sistema níveis:

com uma bomba de rotação

LI, L, e L>, sendo:

variável,

são determinados

três ) (

)

)

)

358

)

)

Dlc ESGOTO

S:.:.I\.:..;N--,'I'-'.T.:..."ccRccIO,,-.

_

PROJETO

DE l'STAÇÕES

l'LEV ATÓRIAS

359

100

L, - nível de operação à rotação máxima; L, - nível em que a bomba liga.

)

)

ETRi\NSI'ORTE

LI - nível de operação à rotação mínima:

)

)

COLETA

90

Nos pontos intermediários. a bomba irá operar com rotação variando de acordo com as variações dos níveis entre LI e L,. Essas variações serão transmitidas à bomba através de dispositivos que fornecem o sinal para o controle da rotação.

)

80

..

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poço

)

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DE

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RECALOUE

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4

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6

BOMBA

~------I

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SUCç ÃO

RECALQUE DA

eIS

LI GA

70

3 10

20

30

40

VAZÃO

QO,Y't:\ÓX

VAZÃO

Figura

10.24 - Operação

COl11l1l11a

Figu"a

Sistema

COII/ IIII/a

bomba

rotação variável e

70

80

90

100

f%l

10.25 - Operação das bombas VIS e C/S.

FOI/ri!:

Barlis (/973).

Quando as bombas VIS e CIS funcionam em paralelo, recomenda-se a seqüência operacional conforme figura 10.26.

bomba de rotação variável

de

60

A·FLUEN1E

Como a bomba irá desligar se a vazão afluente for menor do que sua vazão mínima, é importante que o poço de sucção seja dimensionado para o tempo de ciclo adequado, assim evitando um número excessivo de partidas. •

50

AFLUENTE

IIl1/a bomba

de

rotação

11

11 L.-

COIISPOCO

ta 11te

IIL2-LlGA

VIS

10.26 - Níveis opcracionais

vIS

CI:

l5-

CE:SlIGA

L -

DESLIGA vIS

1

Figura

eIs

DE succão

__________

o sistema de bombeamento mais utilizado consiste em uma bomba de rotação variável e uma bomba de rotação constante operando em paralelo. Recomenda-se que a bomba de rotação constante tenha capacidade menor do que a bomba de rotação variável (esta operando com a máxima rotação), pois, caso contrário, haverá a necessidade de um volume maior para o poço de sucção. Assumindo-se que a bomba VIS é 50% maior do que a bomba CIS, isto é, a capacidade de VIS é 60%) da vazão máxima afluente e a da CIS é de 40'1'0,a bomba VIS é operada como unidade "base" e a bomba CIS é operada como unidade "de retardamento". Quando as duas bombas estão operando, a bomba de rotação variável recalca a diferença entre a vazão afluente e a vazão de bombeamento de C/S. A figura 10.25 ilustra a operação citada.

LIGA

L3-mox.

das bombas ViS e C/S.

FOI/Ie':

Barlis (/973).

Nesta seqüência, considera-se inicialmente que todas as bombas estão deslig~das. Quando o nível do poço alcançar L2.ligará a bomba VIS e, desde que ,a vaza.o afluente seja maior do que a vazão mínima de bombearuento, a bomba VIS estabilizará a uma certa rotação, de modo que a vazão de recalque será igual à vazão afluente.

') ) )

360

PROJETO DE ESTAÇÕES COLETA E TR/\NSPORTE

ELE\' /\TÓRIAS

DE ESGOTO S/\NITARIO

)

361 ;

Se a vazão afluente aumentar, o nível do poço subirá e, em conseqüência, haverá um aumento de rotação na bomba até sua estabilização com a vazão afluente maior. A ação oposta será análoga e, nesse caso, haverá um decréscimo na vazão recalcada. Quando o nível do poço atingir Lh a bomba VIS é operada com rotação máxima. Para vazão afluente maior, o nível do poço alcançará L4, ligando a bomba C/S. A rotação da bomba VIS diminuirá com o abaixamento de nível até o ponto em que a vazão da bomba VIS é igual à diferença entre a vazão afluente e a vazão da bomba C/S. Se a vazão afluente for menor do que a máxima capacidade de VIS, o nível do poço decresce para Ls e a bomba CIS é desligada. Continuando a diminuir a vazão, o líquido atingirá o nível L" desligando a bomba V/S.

•

Sistema com duas ou mais bombas de rotação variável

100

)

90

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RECAl.QUE

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50

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RECAlQUE eOMeAS

40

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DAS

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OESLIGA BZ,

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8,

e

82

)

30 -

)

20

)

, O

)

Para grandes vazões, podem ser utilizadas duas ou mais bombas VIS operando em paralelo. Esta associação pode ser feita basicamente de duas maneiras:

10

20

30

40

VAZÃO

50

60

.\FLUENTE

70

)

150

t%l

) Figura

- Associação I: neste método, a bomba denominada "base" (B,) opera até que sua capacidade máxima seja atingida rotação máxima. Se a vazão afluente ultrapassar esta capacidade, entrará em operação a segunda bomba.xíenorninada "de retardamento" (B~), e as duas passam então a operar nas mesmas condições de rotação e vazão (figuras 10.27e 10.28).

HECALOUE

~

82\

60

-c

..

)

[\\\\l

70

%

o

10.28 - Operação ela bombas B, e B, - Associação

1. Fonte: Barlis (/973).

Ls-

LIGA

"'AX. ROTAÇÃo DE 9 8 1 Z

-

POCO

DE

_ Associação

11: neste método,

a bomba

denominada

"base"

)

')

(B1) opera até

j

que sua capacidade à rotação máxima seja atingida. Se a vazão a~uent~,ultrapassar esta capacidade, entrará em operação a segunda bomba, denomm~da _de retard~mente" (B2). Neste caso a bomba de retardamento irá variar em funçao da vazao afluente, enquanto a rotação da bomba base permanecerá constante (figuras 10.29

4 --.------

)

..I

à

-"

)

~

"z

) ) )

e 10.30).

*

)

succãc

1-----------1

L3 - LIGA

BI

I

)

) L-DESLIGA

1

)

B

I

11

Figura

10.27 - Níveis opcracionais

das bombas 8, c B, - Associação

poço

DE

succão

11----------11

I. FOI/te: Barlis (/973).

.

L -

LIGA

L4-

MAX.roTAçÃO

L 3

DESLIGA

5 11

11----------11

LZ- LI GA

11----------11

L,-

)

BZ

6,

)

82

)

6,

DESLIGA

)

8,

,) Figura

10.29 _ Niveis opcracionais

das bombas B, c B, - Associação

11.FOI/te: Barlis (/973).

) (

)

., ) )

362

COU:'!'A

ETRANSPORTE

PROJETO DE ESTt\('OES

DE ESGOTO SANITÁRIO

I:LEVATÓRIAS

363

)

• Altura

)

-~

)

----

•... I •. I

~

RECALQUE BOMBA

~

RECALQUE BOMBA

e1

aspectos:

- nivel máximo-maximorum de esgoto do poço de sucção (geralmente nível máximo de alarme). É o nível correspondente à soleira do extravasar,

DA

2

menos as perdas de carga entre a estrutura de controle e o poço, para a vazão máxima de projeto; - nível máximo de operação normal das bombas: 0, 10m a 0,15 m abaixo do nível de alarme; faixa de operação superior a 0,60 m, dependendo do volume útil calculado, da natureza da elevatória, das características das bombas selecionadas, do sistema operacional adotado e também das dimensões já definidas. O limite inferior corresponde ao nível mínimo de operação normal das bom-

o

r-

60

"

Q

..• o

)

.. >

DA 82

'0

1

N

• 0

~

)

RECALOU! BOMBAS

30

DAS B. B 1 2

) 2

o

) 10

bas; - altura requerida para a instalação elas bombas e peças especiais mantendose o nível mínimo, de forma a proporcionar condições para que a bomba opere sempre afogada (nível de esgoto igualou superior ao plano que passa pelo eixo do rotor). Em casos especiais, desde que justificados, .pode-se admitir que a bomba esteja afogada apenas durante a partida.

)

)

os seguintes

- cota da soleira do coletor afluente; • O

7 01

)

)

da altura, deve-se considerar

90

)

)

- para a definição

'OOl

10

.,!

20

30

40

'VAZAO

Figura

50

60

AFLUENTE

70

80

90

100

I 'Yol

10.30 - Operação das bombas B, c B,- Associação

11. FIIIIIl': Barlis (/973).

) ) 10.7.2.

Formas

e dimensões

A forma e as dimensões

do poço de sucção

nho das bombas )

) )

Definidos os conjuntos motor-bomba e estabelecido o sistema operacional bombas, determina-se as dimensões elo poço de sucção. As dimensões

podem ser estabelecidas

)

) ) )

)

10.7.3.

da seguinte maneira:

) ) ,

). }

) )

• Comprimento - é aquele requerido para a instalação adequada dos conjuntos motor-bomba selecionados, respeitando-se as folgas necessárias para a montagem, instalações complementares c interferências nas sucções das bombas; • Largura - é determinada através de vários critérios que, em cada projeto, podem inlluenciar diferentemente: - o espaço físico para a instalação de bombas, mantendo-se entre as bombas e a parede uma distância recomendada pelo fabricante;. - as condições hidráulicas adequadas na sucção; - a disposição física do poço de sucção em relação às outras

unidades

estação. A largura simplesmente to e volume útil necessário.

da

Vórtices

nem permitir

prejudicar

o desempe-

a formação

de vórtices.

da definição de altura, comprimen-

em poço de sucção

O poço de sucção, embora seja apenas parte de uma estação elevatória, é um dos componentes de maior importância, pois pode influir diretamente no desempenho da bomba, com reflexos diretos no aumento dos custos operacionais. O custo de uma estação elevatória é influenciada pelos projetos eletromecânicos e de engenharia civil, setores considerados interdependentes. Levantamento realizado por Tsutiya (1989), em várias elevatórias construidas pela SABESP, concluiu que, a parte elétrica composta do motor e dos demais equipamentos, representa 40'10 do custo total da elevatória, a parte mecânica, envolvendo bombas, válvulas e tubos, 29%, e as obras civis, que envolvem o poço de sucção, a casa' de bombas, e demais obras civis, apenas 31 %. Portanto, os custos dos equipamentos eletromecânicos somam 69% das despesas de construção de uma estação elevatória. Para o projeto do poço de sucção, o engenheiro com a prevenção

pode ser decorrente

de operação,

das

)

)

do poço de sucção não deverão

e as condições

da formação

de vórtices,

hidráulico

pois a presença

deve se preocupar de escoamento

com

vorticidade pode trazer conseqüências prejudiciais às bombas. Num poço de sucção bem projetado, uma possível formação de vórtice é controlada de modo que a entrada de ar na bomba seja evitada ou minimizada a níveis toleráveis.

I)

PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS

364

COLETA E TRANSPORTE

365

DE ESGOTO SANITÁRIO

Para Farell (1981), os principais efeitos prejudiciais de escoamentos com vórtices em poços de sucção de uma estação elevatória são os seguintes: • a rotação no escoamento modifica a distribuição de velocidade na entrada do rotor da bomba, resultando num desempenho insatisfatório das pás, o que reduz a vazão recalcada; • quando ocorre o arraste de ar no poço, o rendimento da bomba é reduzido e sabe-se que tal redução é tão intensa que a presença de I% de ar (em volume) no escoamento reduz a eficiência da bomba em 15%; • a natureza intermitente de alguns vórtices pode provocar vibrações estruturais importantes, acelerando desgastes e provocando até rupturas em componentes das bombas; • a variação rápida da pressão no rotor da bomba, provocada pelo centro do vórtice, pode ocasionar vibração e cavitação. As bombas de fluxo axial são, em geral, as mais atingidas. Apesar de inúmeras pesquisas a respeito de vórtices em poços de sucção, o assunto ainda não está completamente esclarecido, dada a natureza complexa do fenômeno. Cabe salientar que as recomendações apresentadas neste item têm origem em estudos experimentais ou em observação em campo, podendo ser utilizadas dentro dos limites da pesquisa. Para instalações de grande porte recomenda-se o estudo em modelo reduzido, que constitui apoio imprescindível para a elaboração de um projeto adequado do poço de sucção.

(')~

!.I1 .

Figura

---

10.31 - Movimento de rotação do fluxo devido à assimctria Fonte: Denny e Youllg (/957).

(a) e mudança de direção (b).

- ~WJ0

-=it3 ~

:::~~ ~'T

-------

..

Figura

(e)

(b)

(o)

.~

10.32 - Fontes de vorticidade: desvio do fluxo (a); gradiente de velocidade (b); obstrução (c). Fonte: Durgin e Hecker (1978).

10.7.3.1 Geração de Vórtices A SEGU NOA

o primeiro

estudo que proporcionou um método prático para a verificação de vórtice numa tomada de água foi publicado por Denny e Young (1957). Segundo esses autores, a formação do vórtice se deve à presença de escoamento rotacional na massa líquida. Existem várias causas que influem no aparecimento do movimento de rotação no escoamento, destacando-se entre elas a assirnetria ou pré-rotação do fluxo (figura 10.31 a) e a mudança do escoamento imediatamente a montante da sucção (figura 10.31b). Durgin e Hecker (1978) definem três tipos fundamentais de fontes de vorticidade, conforme apresentado na figura 10.32. Os pilares e as tubulações de sucção são as obstruções mais comuns em um poço de sucção. Segundo Chang (1949), o vórtice gerado pela obstrução é mais significativo do que o produzido nas paredes do poço. A figura 10.33 apresenta a turbulência gerada pela passagem do fluxo na tubulação de sucção da bomba.

REGIAO

CORTE

ao •• DA

ca..ETA

ÁGUÂ H4

T\JR8ULENn

A-A TUR8ULÊNCI"

CAUSAOA PE:LA PRIMEIRA

BOMBA

) Figura

10.33 _Turbulência ocasionada pela passagem do fluxo na tubulação de sucção. Fonte: Chang

)

(/949). I

(

)

)

) )

366

)

COLETA

E TRANSPORTI.;

PRO.lU-ODE

DE ESGOTO SANiTARIO

ESTAÇÕES

367

ELEVATÓRIAS

)

Em grandes áreas com pequena movimentação de água poderá haver instabilidade no fluxo para a sucção e aumento na possibilidade de entrada de ar pela formação de vórtice (figura 10.34).

) )

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)

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ZONA

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MORTA--------

CIRCULAÇÃO

Lip~ _1-++ J,lU

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ORIGINÁRIA

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lu

VÓRTICE

~EVIDO

.-@i--

AO DESVIO

CONTORNO

Figura

VO'RTICE

E CJRCULAÇÃO

PELA

DISTRIBUIÇÃO

VELOCIDADE

Na literatura internacional se encontra lima série de outros esquemas ilustrativos mostrando exemplos de formação de vórtices. Os principais são apresentados nas figuras 10.35 e 10.36.

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10.35 - Condições

no poço que possibilitam a Iorrnação

ACAO

A

APROXIMAÇÃO

SEPARAÇÃO

00 VENTO

DA CAMADA

OU ENTRADA

DE

00 FLUXO, LIMITE,

EXCENTRICA

\

,

\ \~~y O

Figura

OEv.!DO VO'RTICE FRACO OERADO NA INTERFACE DA CONTRACORIUNTE

NA

ASSIMÉTRICA

HI

", ,

ESTIMULADO

SIMÉTRICO

10.34 - Formação dc vórtice em área morta. FrJIIle: Knttuss (/983).

\O~ ,_/

Figura

10.36 - Vários exemplos de formação de vórtices nas condições de aproximação do !luxo. Fonte: Knauss (/972).

assimétrica

de vórtices. Fonte: ;//1"'''1" (/968).

G)

10.7.3.2. Tipos de Vórtices

o

No poço de sucção das elevatórias podem ser gerados o vórtice superficial e o vórtice subsuperficial, conforme apresentado na figura 10.37.

VORTlCE

VÓRTICE

SUPERFICIAL

SUBSUPERFICIAL

Vórtice superficial As causas principais para a geração do vórtice superficial no poço de sucção são as seguintes: • aproximação não uniforme do fluxo devido à geometria do poço; • turbulência ocasionada por obstruções, tais como pilares e tubulações de sucção das bombas. No início da formação do vórtice superficial aparece uma pequena depressão na superfície da água, a qual afunda gradualmente formando um núcleo no seu centro e permitindo a penetração do ar. Se o vórtice aumenta em intensidade, o

Figura

10,37 - Vórtices superficial c subsupcrficial.

Fonte: Knauss (1987).

núcleo de ar aumenta em comprimento até atingir a sucção das bombas e, assim, um fluxo contínuo de ar entra através da parte central do líquido, em movimento rotacional. A forma do vórtice assume configuração de um funi Ihiperbólico (figura 10,38). Entretanto, em casos menos graves, o ar pode penetrar intermitentemente com um vórtice instável e menos desenvolvido.

368

COLETA

E TRANSPORTE

-r.:. ---=:

PROJETO

10.7.3.3 Métodos para o Controle

SU~E~~'~E

DE ESTAÇOES

ELEVATÓRIAS

369

dos Vórtices

a) Vórtice superficial

ONDULADA

BEM DEFINIDA

o controle

ARRAS TE DE AR INTERMI TENTE DA SUPERFICIE INFERIOij.. 00 VOR T I CE PAR A A SUCÇAO

. \'

SANITÁRIO

INICIO DA SUPERFICIE ONDULADA

<~V:' ':1,'.1

-~~,-

DE ESGOTO

-

-

-

ENTRADA DE AR NA PELO VDRTICE

I'

'I' T Figura 10,38 - Vórtice supcrlicial.

s uc

ç

Zo

do vórtice superficial

• submergência

é feito basicamente

através de três métodos:

adequada;

• eliminação de escoamento não uniforme; • instalação de aparelhos supressores de vórtices. Fonte: Denny e Young (1956).

Submergência

lia

entrada da bomba )

Vórtice subsuperficial

o vórtice subsuperficial é gerado na laje inferior, nas paredes e cantos do poço de sucção (figura 10,39). Às vezes, esse tipo de vórtice pode ser detectado através de pequenas bolhas de ar que são centrifugadas para a parte central do vórtice. Há também possibilidade do ar se desprender para a atmosfera, através de uma pressão muito baixa que se forma no centro de rotação do vórtice,

i\ escolha da submergência mínima (figura 10.40) no poço de sucção das bombas é de fundamental importância, pois influi nos custos de construção da elevatória. Às vezes, o nível mínimo é definido por outras condições, tais como cota de chegada do coletor afluente à elevatória ou o NPSH requerido da bomba.

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Figura

10.39 - Vórtice subsuperficial.

o vórtice formando

)

mínima. Fonte: Prosser (/980).

)

Como a submergência mínima também depende das condições de aproximação do fluxo e de outras fontes de vorticidade existentes no poço, deve-se estudar bem o valor a ser adotado no projeto, Algumas recomendações de submergências míni-

Fonte: Prosser (/980).

subsuperficial é constatado através da observação redemoinhos no poço de sucção.

10.40 - Submergência

mínima

de vários

fluxos

mas são apresentadas na tabela 10.6. Na tabela 10.7 estão apresentadas as comparações das submergências mínimas calculadas através das recomendações dos autores listados na tabela 10.6. Para

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I )

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ce, porém encarece

)

,

isso, adotou-se para diâmetro de sucção o valor de 500 mm e de 1.000 mm. Pelo que se observa na tabela 10,7, os valores da subrrrergência mínima são bastante variáveis. De um modo geral, as recomendações de Azevedo Netto, Hitachi, PNB - 590/l977, Prosser, Paterson, Noble e Hecker resultam em valores acima dos recomendados por Gordon e Metcalf & Eddy. A adoção de valores maiores resulta em segurança

)

) )

) quanto à formação

de vórti-

,

)

o custo das obras civis da elevatória. I

(

)

)

370

)

COLETA E TRANSPORTE

I

DE ESGOTO SANITÁRIO

PRO.lETO DE ESTAÇÕE~

ELEVATÓRIAS

371

I

) Tabela 10.6 - Recomendações

para a submcrgêncía

Eliminação de escoamento mio uniforme

mínima

)

)

)

. -. t '

I'

o

Submergência mínima (S)

Autor

)

Azevedo

Netto

(1973)

Hirachi (1968),

ABNT

S > 2 D com S 2: 0,50 m

- PNB - 590 (1977)

S > 1,5 d com S 2: 0,50

ABNT - NB - 590 (1990)

111

S > 2,5 d com S 2: 0.50 m

Gordon

(1970)

S 2: C" V d"~ com C" = 0,543 a 0.724

Metcalf

& Eddy (1981)

V = 0.6 V = 1,0

S S

)

V ,~ 1.5

S = 1,0

V

S = 1,4

)

V=2,1

S=I,7

V

S

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=

=

LX 2,4

V = 2,7 Prosser Paterson

=

=

0,6

:"--::-T;,

2,2

'..l'

S = 2,6

(1982)

Hecker

-,

<

20Q

-

" ORIGINAL

S 2: 1,5 D

(1980) e Noble

= 0,3

escoamento não uniforme no poço de sucção poderá ser corrigido, de um modo geral, através de vários meios, tais como modi ficação nas condições de aproximação do fluxo, uso de distribuidores de fluxo ou métodos para diminuição de velocidade através do aumento da perda de carga (grade, anteparo ou parede perfurada). Entretanto, para esgoto sanitário, deve ser tomado precauções especiais devido aos materiais nele contido. Na figura 10.41 são apresentados alguns meios para a correção das condições de aproximação do fluxo no poço,

ADICIONAR

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S/D;::: a+b.F

(19R7)

a = I a 1,5

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VÁLVULA

/

b = 2 a 2.5

//~CORRIGIDO

d = diâmetro da tubulação de sucção. m: D = diâmetro da entrada em forma de sino, m/s: V" velocidade na tubulação de sucção, 111/5:

(o)

(b)

VI)

F = número de Froudc = JgD

RELOCAR AS BOMBAS PARA JUNTO DA PAR EOE CONfORM

:

INOtCADO

V" ~ velocidade na entrada em Iorma de sino. m/s; g = aceleração da gravidade. m/s'.

POR

LINHAS

ef'0RIGINAL

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E

TRACEJAOAS

,

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Tabela 10.7 - Comparações das submcrgências mínimas propostas pordiferentes autores. para diâmetro da tubulação de sucção de 500 mm c de I.()()O rum

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RELOC ADO

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~"',N

Submcrgéncia mínima (rn) Velocidade na tubulação de sucção (m/s) 0.6 1.0 1.5 1.8 2,1 2,4

Azevedo Netto

1,50 - 3.00 [,50 - 3,00 [50- 3.0U 1,50- 3.00 1,50 - 3,00 1,50 - 3.00

NB590/90

0.75 - 1.50 0,75 - 1.50 0,75 - 1.50

1,25 - 2,50 1,25 - 2.50 [,25 -2,50

0,75 - 1.50 0,75 - 1,50 0,75 - 1,50

1,25 - 2.~0 1.25 - 2,50 1,25 - 2,50

t*) Constante C, =0,724 ('*) Equação utilizada: S/D = J ,O+ 2.3 F Admitiu-se para a elaboração da tabela 10.7. D

)

Gordon t+) Mctcalf Eddy

Hitachi, PNB 590/77

=

CUI-O.43 0.51 - 0.72 0.77 - I.()
J,5 d.

OJO 0.60 1.00 1.40 1.70 2,20

Prosscr

1.13 -2.25 1.13 - 2.25 1.13 - 2,25 1.13 - 2.25 1.13 - 2,25 J,13 - 2,25

Paicrson c Noblc, Hcckcr C**) 0.92-1.74 1,03" 1,90 1.17 - 2,10 1.26 - 2,22 1,34 - 2,34 1,43 - 2,46

(d)

(e)

Fi~llra 10.4) - Correção das condições de aproximação do íluxo: (a) aumento do poço, (b) enchimento dos cantos, (e) uso da cortina. (d) rclocação da posição da bomba, Fonte: Hydraulic lnstitutc Standards (1983). .

A distribuição apresentado

do fluxo poderá ser feita através

na figura 10.42.

de aleras defletoras,

conforme

372

COLETA

E TRANSPORTE

PROJETO

DE ESGOTO SANITÁRIO

I L L L

L L

DE ESTAÇÕES

ELEVATÓRIAS

373

Denny e Young (1956) apresentam outros exemplos de eliminação do vórtice (figura 10.44). A obstrução da rotação livre do líquido com a colocação de placa flutuante ou parede diminui consideravelmente a velocidade do vórtice e, mesmo que seja formado, a peça evita a entrada de ar no núcleo do vórtice e na tubulação . de sucção. Recomenda-se ancorar a placa flutuante para evitar rotação.

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Figura

10.42 - Distribuição

do fluxo através de aletas dcfletoras.

FOI/te:

)

Sulzer (1986)

)

Supressores de Vórtices

)

A grade horizontal instalada cerca de 10 a 15 em abaixo do nível de água é o aparelho com maior eficiência na eliminação do vórtice superficial. Padmanabhan (1987) recomenda barras de grades com espessura de 4 a 6 cm e espaçamento de 2,5 cm. Uma gaiola de grade é também eficiente se for suficientemente grande e localizada abaixo do nível mínimo do poço de sucção. Para esgoto tal solução pode ser problemática. Placas flutuantes também podem ser utilizadas para a supressão de vórtices. Nos casos em que o fluxo de aproximação nãounifonne contribui para a formação do vórtice, uma cortina colocada em sentido transversal em relação ao sentido de escoamento pode ser um supressor eficiente de vórtice. As dimensões dessa cortina geralmente são definidas, por tentativa, em um estudo de modelo hidráulico. Na figura 10.43 são apresentados os aparelhos típicos de supressores de vórtice superficial.

)

USO DE PLACAS

(o)

FLUTUANTES

EM

~~~~A pO~\~~~~1~ g~~g~~~E

(c)

SUPERfiCIAL

(b)

Figura 10.43 - Aparelhos típicos para supressão de vórtices: (a) grade horizontal, (b) placas flutuantes, (c) cortina. Fonte: Knauss (1983), Padmanabhan (1982), Pennino e Larsen (1982).

)

Figura

10.44 - Utilização YOllIIg

de placas e paredes para prevenir o vórtice superficial.

FOI//e:

Denny e

"

(

)

I

)

']

(1956).

) I

)

b) Vórtice Subsuperficial )

O vórtice subsuperficial depende essencialmente das condições do fluxo n.a entrada da bomba e seu controle envolve principalmente a eliminação do alto gradiente de velocidade no escoamento, de modo a evitar a separação do fluxo no interior da bomba. Para isso é necessário que a geometria do poço seja adequada, de modo que não haja transições bruscas no escoamento e que as paredes e a laje de fundo do poço sejam bem projetadas. . _ Os métodos para o controle do vórtice subsuperficial são baseados na reduçao rotacional do fluxo, de modo a prevenir a separação e seu direcionamento para a sucção das bombas. Na figura 10.45 são apresentados alguns métodos para a supressão do vórtice subsuperficial. Dentre os supressores de vórtices utilizados em elevatórias de esgoto, dest~ca~ se o dispositivo apresentado na figura 1O.45c que é um cone, cu~a conc,ep.çao e simples e com resultado bastante eficiente, reduzindo a ocorrência de vornces .a valores desprezíveis. Observou-se nos ensaios realizados na FCTH (199.8), C~I~SIderando as elevatórias submersíveis (figura 10.14 e 10.15), que esse dísposmvo não interfere nas condições de deposição de material sólido no poço de sucção.

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374

)

COLETA ETRJ\I"SI'ORTE

DE ESGOTOS;\

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375

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LINHA.

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A seguir são apresentadas algumas recomendações para o projeto do poço de sucção dos institutos de pesquisas. dos fabricantes de bombas e das norma da AI3NT

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DE: CENTRO

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Hydraulic lustitute Standards

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CONE

SEÇÃO

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(b)

(e)

) Figura

)

10.45 - Métodos para a supressão do vórtice subsupcrticial: (a) alteração do espaço livrejunlo parcele. (b) parede scparaiória. (e) cone. Fonte: Ilydrtutlic Instuute Standards (/983). á

)

J

10.7.4. Principais

Projeto do poço de sucção pesquisas

realizadas

,'\ forma e as dimensões do poço de sucção não deverão prejudicar o desempe, nho das bombas, as condições de operação, nem permitir a formação de vórtices. Cuidados especiais devem ser tomados quando as bombas são vert icais. submersas, de fluxo axial ou de fluxo -misto. pois o rotor da bomba está próximo sucção, sendo extremamente a fctado pelas condições do fluxo na entrada da bomba. V árias pesquisas têm sido feitas com o objetivo de elaborar um bom projeto do à

poço de sucção, destacando-se as realizadas por institutos de pesquisas, co.m? o Hvclraulic lnstitute Standards (1983) e British Hydromcchanics Rcsearch ASSOCtatlOn (1'9S0). assim como por fabricantes de bombas, como a Hitachi Pumps (1968), Sulzcr Pumps (1986) c bombas Flygt (1981). Outros pesquisadores, com destaque para Tullis (1979), Swcency (1982). Odgaard e Dlubac (1984). Natan (1981) e Hattersley (1965), efetuaram lima abordagem localizada sobre o projeto do POÇ? de sucção. com estudo de casos específicos. Todas essas pesquisas. exceto a real~zada pelas bombas Flygt. foram feitas para o projeto de elevatórias dc águ~. EVIdentcmente. as recomendações dessas pesquisas também valem para o projeto de elevatórias de esgotos, mas recomenda-se cuidados especiais nessa utilização, tendo em vista as características do esgoto afluente. As dimensões cio poço c casa de bombas devem ser compatíveis com a instalação dos conjuntos motor-bomba selecionados, bem como da tubulação de sucção e respectivos' órgãos acessórios, respeitando-se as folgas necessárias para a montagem. instalações complementares e circulação de pessoal; deve haver também cor~pleta independência das tomadas de sucção, de modo que não haja interferênct.a alguma entre elas. observando-se sempre as recomendações estipuladas pelo fabricante das bombas.

As dimensões e posição das bombas recomendadas pelo Hydraulic lnstitutc Standards (H IS) baseiam-se em experiências realizadas com bombas de porte médio, nas quais as condições de formação de vórtices, especialmente do vórtice subsuperficial, não são tão criticas quanto nas bombas de grande porte. O Hydraulic lnstitute Standards recomenda as dimensões do poço para uma bomba e para várias bombas indicadas nas figuras 10.46 e 10.47. Para as instalações com várias bombas, além das dimensões sugeridas pelas figuras citadas, algumas informações adicionais constam da figura 10.48. Os critérios que levaram a essas recomendações não são claros, mas presumivelmente são baseados emexperiências. Pelo que se observa nas figuras citadas. conclui-se que as recomendações foram feitas para poços com sucção vertical.

British Hydromeclumics

Researcli Association ,

,

As pesquisas feitas pela F3ritish Hydrorncchanics Rescarch Associarion (BHRA) foram publicadas por Prosser (19XO). Tanto as pesquisas da HIS CO!1l0 da BHRA consideram as condições de aproximação do fluxo no poço razoavelmente uniformes, Para situações complexas, tais como aproximação não uniforme. várias entradas do fluxo no poço e para bombas de grande capacidade, recomenda-se o estudo em modelo hidráulico para a definição das formas e dimensões do poço de sucção. Secundo Swecney (I 9R2). embora as recomendações do Hydraulic Institute Stand;~'ds sejam tradicionalmente utilizadas para O projeto do poço de sucção, as pesquisas efetuadas por Prosser (1980) para a British Hydromechanics ~esearch Association constituem a melhor orientação para esse fim. Na figura 10.49 são apresentadas as dimensões do poço de sucção para uma bomba de sucção vertical. de modo que a relação O/d deverá ficar compreendida entre 1,5 a 1,8. admitindo-se uma variação de aproximadamente 20'%, para mais ou para menos. , Para uma bomba de poço seco com tubulação de sucção horizontal, a BHRA apresenta as dimensões constantes da figura 10.50. Neste mesmo caso, pesquisas efetuadas por Amphelet (1978) considerando C == 0.50 e W = 20. levaram à conclusão de que essas dimensões são adequadas para minimizar a formação de vórtice superficial, Para poço com várias bombas. a I3HRA indica as alternativas na figura 10.51. Poço aberto (a), quando ocorre escoamento uniforme a montante da entrada e, caso contrário, poço com divisórias (b).

376

COLETÂ E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SÂNITÁRIO

poÇO: SIMPLE;;

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DIMENSÕES

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POço

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10.47 - Dimensões do poço de sucção em /'''''',';'111 da va"'·III. Standards (/983).

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Na figura I 0.52 encontra-se o projeto de 11//1 poço par;1 várias }-.'.__'-.~. _, do o canal de aproximação. Poço sem divisóri'I<; (;1) e ]')()('( C( .: =:> ',0_._::-_ () Jm C'.'<.'.-,,· _ Devido à importância das condições de cnlr'lda na ~,ll(;('~() da- ;.'. ~~~: -:-'. .: _"recomenda que a entrada seja feita através de 11/11,1rei;;1 ~rn li)r~;~;'~~"~~,:::,~~,_ 10.53). A finalidade dessa peça é prevenir a '/,par;lçfíi) d() lJur _-; -:~~.~_:- c OCOITequando a entrada possui ca~tos vivos e 1;lrr,h6rndiminuir sucção. O diâmetro da boca de SIllO(D) recofrJcnl];u]o r(;J;] BHP~.c._.-:.-'~,~~ "':.~ I,8d, onde d é o diâmetro da tubulação de SlIcc,iirJ. As (km~ís dir__ z obtidas considerando um quarto da elipse, scnd., h r) ti!.() rr,~i(Jf:: ~·~·~~:c ~_~ -:

a,';;.:-;, ~;":'.;~~:

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J~",o:;_=~~r

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Hitachi Pumps

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CORTE

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A antiga norm~ da ABNT, PNB - 590 - EJ~J,()r~f;i.ir)d'; f'r()í'::,-,': :::,-:: ';-0-,, __~ Bombearnento de Agua para Abastecimento l'
Figura

10.46 - Dimensões do poço de sucção (planta c corte ). Fonte: Hydraulic Institute Standards (1983).

A submergência mínima (S) é fixada acirre, rk 1,5 d '; r,;"fJ :;:-- -= '~ _~. _ 0,5 m. A folga (f), compreendida entre o fun-í-, rh fi''>'!,) '; "- ,'À:":~' ~;:~-.::_, .~ canalização de sucção, é fixada entre 0,5 d e J,~ d,
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378

COLLTA

E TRANSPORTE

)

DE ESGOTO SANrrARIO

RECOMENDADA

PRO.lI'TO

NÃO

DE ESTAÇOES

ELEYATORIAS

379

RECOMENDADA

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AS DIVISÓRIAS: DEVEM TERMINAR

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MÁX.= 1.50 .{ PREFERIVEL'

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ANTEPAROS EGRADES SERIAM INTRODUZIDOS NA ENTRADA DO CANAL NO INíCIO DA SECCÃO DE MÁXIMA LARGUR.t. ':I'r" Ú • o 14)0 v 30 50 eo ,,}D l!:õD

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NÃO RECOMENDADA, A MENOS

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10.49 - Dimensões do poço para lima bomba com sucção vertical.

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Prosser (/980).

AE9:.lUERDA

E

10.48 - Poço com várias bombas: recomendações Standards (/983).

Figura

W'5 O OU MAIOR. "',s 0,06 m/I OU MENOR E.

O DIÂMETRO O É GERALMENTE O DIÀMtTRO DO TUBO DE SUCçÃO MEDIDO NA ENTRADA. COMO ESSE DIÂMETRO PODE VARIAR COM A BOMBA, CONSULTAR O FABRICANTE DA BOMBA PARA ESPECIFICAR ESSE DIÃMETRO.

Figura

O

adicionais. FOI//e: tlydraulic lnstitute

Nos poços com defletores a distância entre o eixo da tubulação e as paredes adjacentes laterais é de 1,5 d. Quando não há defletores nos poços, a distância entre o eixo da tubulação e as paredes adjacentes laterais é de 1,5 d, e a distância entre o eixo da tubulação e a parede posterior é de I, I d a 1,2 d. Quando as bombas estão dispostas ortogonalmente á direção da corrente líquida, os cantos das paredes que delimitam cada bomba formam ângulos de 45 graus em relação ás paredes. Os catetos são fixados em 0,5 d para os poços com defletores e em 0,75 d para os sem detletores. Num conjunto de bombas dispostas ortogonalmenteà corrente líquida, as cortinas que separam uma bomba da outra devem medir acima de 3 d na direção da corrente. a partir do eixo da tubulação. A forma dos bordos de ataque das cortinas e dos detletorcs será arredondada, permitindo-se a forma circular para as cortinas e a ovoidal para os defletores. A Hitachi Pumps também apresenta, como opções para o poço de sucção, as formas e dimensões constantes da figura 10.55, desde que reconhecidamente aceitas pelo fabricante das bombas e de comum acordo com o órgão contratante.

) )

) 380

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

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..!.P-"R~O"_'JE::..:Tc::0é.!D::.!E=ESTAÇÕES ELEV ATÓRIAS

381.

N.A.min

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10.53 - Dimensões

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) Figura

10.51 - Dimensões

do poço para várias bombas. Fonte: Prosser (1980).

J )

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)

382

COLETA

E TRANSPORTE

PRO.lLTO DE ESTi\ÇÓES

DE ESGOTO SANITÁRIO

PAREDE

L::LEVi\TORIi\S

383

SI/heI' Pumps

SEM IDEFLETOR

) As pesquisas

)

da Sulzer foram elaboradas

para as bombas

verticais

com tluxo

afluente às bombas o mais uniforme possível. pois. caso contrário. haverá diminuição na capacidade e no rendimento das bombas e possíveis danos ao rotor, devido à vibração e cavitação.

) .'

)

As recomendações para a instalação individual de bombas são apresentadas na figura 10.56. Pelo que se observa nessa figura, a Sulzer admite uma variação da submergência mínima, em função dos detalhes na câmara de entrada das bombas.

} )

Recomenda-se, também, a entrada em forma de sino para a sucção das bombas. Para várias bombas em paralelo, recomenda-se as instalações apresentadas na figura 10.57. Os detalhes de instalação para cada bomba são os mesmos apresentados na figura lO.56. Quando se utiliza tubulação de sucção horizontal. a Sulzer recomenda as configurações apresentadas nas figuras lO.58, lO.59 e lO.60, sendo sua escolha em função da capacidade das bombas. Para sua utilização são feitas as seguintes recomendações adicionais:

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DE

SUCçÂO

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do poço dc sucção.

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(1968).

• velocidade • velocidade • velocidade

na entradado poço de sucçâo s 0,3 m/s (*); na entrada do tubo em forma de sino s; 1,3 m/s: na tubulação de sucção (d)::; 4,0 m/s.

(*) para esgoto, a velocidade

mínima recomendada

é de 0,60 m/s,

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A Flygt apresenta recomendações para o projeto do poço ele sucção com utilização de bombas submersíveis, com base em pesquisas realizadas em laboratórios da Flygt. na Suécia, e também em modelos hidráulicos feitos pelo Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Nottingham, na Inglaterra. Com essas experiências foram estabelecielas as dimensões ideais do poço. visando atender os seguintes requisitos: • Fluxo suave e uniforme

do líquido

às bombas:

• Ausência de formação de vórtices; • Separação das bolhas de ar antes que cheguem • Ausência de sedimentação; • Construção simples de módulos ~

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"'(,,~ Figura

Bombas F/ygt

10.55 _ Exemplos de arranjos c dimensões para ()poço de sucção. FOI/te: f litachi Pumps (/968).

• Uniformização

dos equipamentos.

padronizados;

à

sucção;

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384

COLETA E TRANSPORTE

r=

DE ESGOTO SANITÁRIO

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ELEVATÓRIAS

385

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Figura IO.58 - Poço com tubulação de sucção horizontal, para Q < 0,5

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FOI/te: SII!?er (/986).

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386

PROJETO DE ESTt\ÇÕES ELEV t\TÓRIt\S

COLETt\ E TRt\NSPORTE DE ESGOTO St\NITÁRIO

387

) N.A.mln.

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Nas figuras 10.61 e 10.62 são apresentadas as recomendações da Flygt para o projeto do poço de sucção. A padronização da SABESP de estações elevatórias de esgotos com bombas submersíveis teve como base as pesquisas realizadas pela Flygt.

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Norma da ABNT N B-590/1990

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A partir de março ele 1990. a Norma N8-590/1990 substitui a PN8-S90/1977, relativa a água de abastecimento. Quanto às recomendações para o projeto do poço de sucção, a nova norma propôs algumas alterações em relação à antiga que era baseada nas pesquisas realizadas pela Hitachi Pumps, A figura 10.63 apresenta as recomendações da NB-S90/1990 para o projeto do poço de sucção. Sendo d o diâmetro interno da tubulação de sucção, as dimensões do poço de sucção devem obedecer as seguintes especificações:

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I. Figura

10.59 - Poço com tubulação

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de sucção horizontal. para Q < 1.0

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Fonte: Sulzcr (1986).

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Figura

10.60 - Poço com tubulação de sucção horizontal, para Q < 5,0 m'/s. Fonte: Sulzer (1986).

• a submergência mínima da seção de entrada da tubulação deve ser maior do que 2,5 d e nunca inferior a 0,50 m; • a folga entre o fundo do poço e a palie inferior da seção de entrada, deve ser fixada de 1,0 d a 1,5 d e nunca inferior a 0,20 111; o a distância mínima entre a parede da tubulação de sucção e qualquer parede lateral do poço de sucção deve ser de 1,0 d e nunca inferior a 0,30 111; • devem ser evitadas zonas mortas do escoamento e formação de vórtices mediante configuração geométrica apropriada do poço de sucção e, se necessário, utilizando também dispositivos antivórtices: • nas cortinas que separam compartimentos de sucção, um conjunto de bombas dispostas ortogonalmente à corrente líquida deve medir mais de 3 d na direção da corrente, a partir do eixo da tubulação; • os perfis das bordas de ataque das cortinas e dos detletores devem ser arredondados; • o escoamento na entrada do poço deve ser regular, sem deslocamento e zonas de velocidades elevadas; • quando o fundo do canal de chegada e o do poço de sucção se acham em cotas diferentes, a concordância entre ambos deve ser feita por plano inclinado de no máximo 45" em relação à horizontal.

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388

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

'.Li!jl PROJETO

MIN

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DE ESTAÇÕES

389

ELEVATÓRIAS

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SANITÁRIO

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10.63 - Poço de sucção. FOII/e: ABNT NB-590 (/990)

10.61- Planta e corte do poço de sucção. Fonte: Flygt (1981).

)

)

390

COLETA

E TRANSPORTE

[)E ESGOTO SANITÁRIO PROJETO [)E ESTAÇÕES

Comparação

entre as principais

pesquisas

Tsutiya e Machado Neto (1993) apresentam a comparação das dimensões e velocidades no poço de sucção com uma e várias bombas, recomendadas pela Hydraulic Intitute Standards, British Hydromechanics Research Association, Hitachi Pumps, PNB-590/ 1977, Sulzer Pumps e N B-590/] 990. Conforme se observa na tabela 10.8, as dimensões e velocidades recomendadas pelas cinco entidades são praticamente equivalentes, não havendo diferenças significativas de valores. No entanto, para a NB-590/1990 recomenda-se a utilização da entrada em forma de sino, com diâmetro O variando de 1,5 a 1,8 d. sendo d o diâmetro da tubulação de sucção. Para Tsutiya e Machado Neto (1993) qualquer uma das pesquisas para o projeto do poço de sucção poderá ser utilizada, devendo escolher aquela que mais se adapta a uma determinada situação específica. Para grandes instalações, recomenda-se o estudo em modelo hidráulico reduzido. Tabela I O.H- Comparação poço

COM UMA

das dimensões

e velocidades

110

Dimensões Velocidades

w

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391

ELEVATÓRIAS

Entidade

Poço com uma bomba

Poço com várias bombas

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III

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< 15 graus

< 15 graus

::; 10 graus

::; 10 graus

::;45 graus

::; 45 graus

~ 45 graus ::;0,6

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::; 0,6

::; 0,3 (*)

::; 1,2

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392

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

DE ESTAÇÕES

)

393

ELEVATÓRIAS

)

NA

(continuação- Tabela 10.8)

Dimensões e Velocidades

Entidade

V (rn/s)

HIS BHRA HITACHI SULZER ABNT

HIS BHRA HITACHI SULZER ABNT

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Poço com várias bombas :s; :s; :s; :s;

0,3 0,3 0,3 0,3 < 0,6

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(*)

- Hydraulic lnstitutc Standards - Brirish Hydrorncchanics Researeh Association - Hitachi Pumps - Sulzer Pumps - Norma NI3-590/1990

TUBULAÇÕES

As tubulações das instalações de bombeamento são assim classificadas: tubulação de sucção; barrilete; e tubulação de recai que. A figura 10.64 apresenta as tubulações da elevatória. Tubulação de sucção

A tubulação de sucção deve ser a mais curta possível e sempre ascendente até atingir a bomba, podendo-se admitir trechos horizontais. Peças especiais devem ser evitadas ao máximo. O diâmetro mínimo deve ser, de preferência, de uma bitola comercial imediatamente superior à da tubulação de recalque e é recomendável que a velocidade na tubulação de sucção esteja compreendida entre 0,6 a 1,5 m/s, conforme a norma da A8NT N 8-569 ( 1989). As tubulações de sucção podem ser dispostas das seguintes maneiras: horizontal, vertical e inclinada. Para tubulação de sucção horizontal são apresentados na figura 10.65 alguns esquemas recomendáveis para as elevatórias de poço seco. Maiores detalhes das tubulações de sucção já foram vistos no item 10.7.3.

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da clcvatória

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10.8.1.

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(*)

(*) Todas as pesquisas foram realizadas utilizando-se água, cxccto às das bombas Flygt que foi para esgoto. As conclusões dessas pesquisas, podem ser utilizadas para o dimcnsionarncnto do poço de sucção em clcvatórias de água e esgoto, entretanto, no caso do esgoto, devido às características do líquido que contêm materiais orgânicos e inorgânicos, recomenda-se cuidados especiais nessa utilização. A principal relere-se a velocidade na entrada da câmara de sucção que não deverá ser menor que 0,60 m/s, para evitar a sedimentação de paniculas contidas no esgoto.

10.8.

)

J

Barrilete

A velocidade na tubulação do barrilete geralmente é maior do que-na tubulação de sucção e de recalque, devendo estar compreendida entre certos limites: • • • •

Metcalf&Eddy(1981) Flomatcher (1972) PNB-590 (1977) WPCF (1970)

1,8 a 2,4 m/s 1,8 a 3,0 rnls 0,6 a 2,6 m/s < 2,4 m/s

Admite-se velocidade maior no barrilete, de modo a diminuir o diâmetro das tubulações e conseqüentemente, o diâmetro das peças especiais. Observa-se que, como as peças do barrilete são flangeadas, a diminuição do diâmetro irá diminuir consideravelmente os custos da elevatória. A figura 10.66 apresenta os detalhes da tubulação de sucção e do barrilete em uma elevatória de poço seco e sucção horizontal para o recaI que de esgotos. Para os casos em que, a elevatória é utilizada apenas para a elevação dos esgotos ~o local da elevatória, e a altura de elevação é pequena, geralmente adota-se o cnteno de que cada conjunto elevatório tem sua própria tubulação de recalque. Neste ~aso, não haverá a necessidade da válvula de retenção e da válvula de gaveta no baml~te. As principais disposições das tubulações do barrilete para as bombas centnfugas são apresentadas na figura 10.67.

)

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394

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

_____________

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ELEVATá.RIAS

395

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Figura

10.66 - Detalhes da tubulação de sucção c do barrilctc.

As tubulacões

D

de sucção

e do barrilete

deverão

ser dispostas

de maneira

que

haja espaço para inspeção, conserto, manutenção de válvulas c outras peças, além de permitir a montagem e desrnontagem com um mínimo de perturbação no sistema.

r-NAmin

Tubulação

lO.S.3

Determlnação N,A,min

s

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Figura

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ALTURA

NIVEL

DE AGUA

MIN";")

DE SUBMERGENCI

A

PODE SER uTILIZADO ONDE EXISTA SU8MERGENCIA ADEQUADA E NiVEL DE ÁGUA MINIMO PARA PREVENIR VORTlCE

10.65 - Disposições da tubulação de sucção horizontal.

o diâmetro

de rccalque

do diâmetro da tubulação de recalqll~, da linha de recaI que é hidraulicamente

indeterrninado,

sendo que

para a mesma vazão, diminuindo-se o diâmetro, alimenta-se a potência do equipamento de recalque e vice-versa. Existem, portanto, vários pares diâmetro-potência que atendem a elevação de uma dada vazão, a lima dada altura manométrica.' Tecnicamente, entretanto, as velocidades de escoamento nas tubulações de recalque devem ser tais que não permitam a deposição de materiais sólidos na linha e também não causem problemas de erosão. Para atender estes aspectos, tem sido comum

limitar a velocidade

de recalque entre 0,6 e 3,0 m/s.

j"' )

396

COLETA E TRANSPORTE

T

DE ESGOTO SANITÁRIO

Git.'_~h'~ q \ t P

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) PROJETO

DE ESTAÇÕES

ELEV ATÓRJAS

397

A determinação do diâmetro da tubulação de recalque normalmente é feita levando-se em consideração aspectos econômico-financeiros, por isso sendo escolhido o diâmetro que conduz ao mínimo custo de implantação, de operação e manutenção do sistema elevatório. Portanto, a escolha final do diâmetro de recalque é feita após cotejo técnico-econômico, para diferentes valores do diâmetro da tubulação, considerando-se os custos de:

• Bombas centrífugas de eixo horizontal

~

)

• • • •

n==r=r-=n

Aquisição e assentamento dos tubos. peças e aparelhos; Aquisição do conjunto motor-bomba adequado a cada valor do diâmetro; Operação, manutenção e consumo de energia; Amortização ejuros.

o diâmetro

li~st?l~r

mínimo da tubulação de recalque é de 100 mm.

) ) )

) ) ) )

) ) )

A figura 10.68 apresenta as relações entre o custo de investimento e o custo de operação em função do diâmetro, de modo que, quando passam por 'um custo mínimo, tais relações correspondem ao diâmetro econômico de recalque.

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)

)

) ) )

CUSTO

)

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CUSTO MINIMO

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\ I

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)

Deconômícc

• Bombas verticais Figura 10.68 - Dctcnninação

do diâmetro econômico.

) )

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Fórmula de Bresse para escolha do diâmetro de recalque

t

Figura 10.67 - Disposições das tubulações Pumps (1972).

) )

do barrilcte para bombas centrífugas.

Fonte: Hitachi

Em pequenas instalações, a fórmula de Bresse pode levar a um diâmetro aceitável e, no caso de grandes instalações, dará uma primeira aproximação, sendo conveniente uma pesquisa econômica para investigar os diâmetros mais próximos, inferiores e superiores, determinando-se para estes diâmetros os custos relativos à instalação considerada. O diâmetro que corresponde ao mínimo custo deverá ser escolhido para a linha de recalque. A fórmula de Bresse é apresentada a seguir:

) ) ) )

)

) ) )

398

COLETA E TRANSPo.RTE

DE ESGo.TO SANITÁRIO.

PRo.JETo. DE ESTAÇÕES

ELEV i\TÓRIi\S

399

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KJO

Peças especiais das tubulações de recalque

(10.27)

) )

..,

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;\.

)

~,

)

Nas linhas de recalque deverão ser instaladas peças para remoção e entrada de ar nos pontos altos, bem como descargas em determinados pontos baixos .

onde: D = diâmetro, m; 1 Q = vazão, 111 /5; K = coeficiente de Bresse.

•

o valor do coeficiente de Bresse é função da velocidade econômica (V) de escoamento na linha de recalque e pode ser detern~inado pela expressão:

)

Colocada nos pontos baixos da linha de recalque para permitir a saída de eszoto, sempre que for necessário. Isto geralmente ocorre quando se quer esvaziar a tubulação de recalque para fins de reparo ou outras razões de natureza operacional, A descarga deverá permitir a eliminação de todo o esgoto contido no conduto. Quando inviável, é necessário prever meios para completar o esvaziamento mediante sucção por bomba. O esgoto descarregado deverá ser encaminhado, por meio de condutos devidamente projetados, até o local onde não cause problemas de erosão, inundação e, principalmente, de origem estética. O diâmetro da derivação de descarga não deverá ser inferior a 100 mrn e, preferivelmente, recomenda-se valores acima de 150 mrn.

)

)

K=

)

(4

(l0.28)

v-;V

,. )

Para o recalque de esgotos, a velocidade econômica tem se situado, de um modo geral, entre 1,0 m/s (K=I, 12) a 1,5 m/s (K=O,85). Para tubulações longas, no entanto, têm sido utilizadas velocidades de recal que de cerca de 0,8 m/s (K=l ,6) e para tubulações curtas, as velocidades chegam a atingir 3,0 rn/s (K=0,65). Estes valores têm sido usados com pleno sucesso.

•

Recomendações para o estudo do diâmetro econômico da linhu de reculque Para a escolha do diâmetro econômico,

• Pré-dimensionarnento do diâmetro através da fórmula de Bresse, utilizandose, no mínimo, os valores de K de 0,9, 1,0, 1,1 e 1.2; • Análise econômica através do critério do custo marginal ou valor presente, com taxa de desconto de 12% ao ano, ou indicada pelo órgão financiador do empreendimento; • Consideração de todos os custos não comuns, tais como: - custo de aquisição e implantação da linha de recalque: - custo dos equipamentos; .- despesas de energia elétrica.

\

~~ ,)

..

e entrada.de

ar

Remoção

de ar por meios hidraúlicos

O acúmulo de ar nas tubulações de conduto forçado restringe a secção de escoamento, causando maior perda de carga e redução de sua capacidade, podendo, em determinados casos, até mesmo paralisar o escoamento. Outros problemas, ...r.-' -"'J

)

Peças pararemoção

Como as tubulações de recalque são normalmente assentadas a pequena profundidade, com recobrirnento em torno de 1,0 m, ao longo da linha de recalque tem-se, frcqüenternente, pontos altos e pontos baixos. Em tais casos, ás vezes se torna necessário instalar dispositivos nos pontos altos da tubulação, a fim de pennitir a expulsão de ar durante o enchimento da linha e a penetração do ar quando essa linha está sendo descarregada. Se possível. as tubulações de recalque devem ser projetadas evitando-se os pontos altos. De acordo com a experiência norte-americana, as ventosas de esgotos estão sujeitas a problemas freqüentes de manutenção e, se possível, devem ser substituídas por dispositivos especiais para a expulsão do ar das tubulações. As ventosas utilizadas para abastecimento de água rião têm condições para um funcionamento adequado, face à obstrução causada por sólidos em suspensão do esgoto . . Algumas.alternativas estudadas para a remoção e entrada de ar nas tubulações de recalque de esgotos são apresentadas a seguir.

recomenda-se:

• As obras comuns, como tubulações da elevatória, blocos de ancoragem e descargas, não necessitam ser consideradas. • Definição das etapas de implantação da linha de recaI que e dos conjuntos motor-bomba; • Alternativas a serem estudadas com o mesmo tipo de bomba e também com a mesma modulação.

Descarga

) ) )

) PROJETO

400

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

DE ESTAÇÕES

ELEVATÓRIAS

401

)

SANITÁRIO "

;1

I1

:1

!

I i

como emulsionamento do ar na água, diminuição da eficiência das bombas e corrosão das tubulações, poderão ser ocasionados pelo aprisionamento de ar. O ar entra de várias maneiras em uma tubulação, como, por exemplo, no início, através do poço de sucção de uma estação elevatória. A penetração pode ser causada pela liberação de ar existente na água, em razão de variação da temperatura e pressão, e também pelo enchimento ou drenagem das linhas. Válvulas e bombas constituem, igualmente, pontos onde poderá haver liberação do ar. A figura 10.69a mostra uma bolsa de ar aprisionada no ponto alto de uma tubulação com água em repouso; as superficies do líquido que limitam a bolsa são, portanto, horizontais. Quando há movimentação da água, o escoamento a jusante do ponto alto se processa com superficie livre e, dependendo da declividade do trecho de jusante, a passagem para o escoamento sob pressão se realiza através do aumento gradual da altura da água ou, bruscamente, por meio de ressalto (figuras 10.69b e I0.69c). Nessas condições verifica-se uma perda de carga adicional t.H.r provocada pela bolsa de ar que, no caso de não haver ressalto, é igual à diferença de cotas, t.Z dos pontos que limitam a superficie da bolsa de ar (figura I0.69b). Em instalações de recaI que, essa perda adicional ocasiona acréscimo na altura mano métrica, diminuição da vazão e aumento do consumo de energia elétrica. .Vários pesquisadores examinaram a possibilidade da tubulação transportar pequenas bolhas e bolsões de ar sem que ocorra ressalto. Também estudaram as características hidráulicas a jusante do ressalto para que haja carreamento de ar. Pelas pesquisas, concluiu-se que a remoção de ar em tubulações é obtida quando a velocidade média do escoamento (Y) é igualou maior do que um certo valor mínimo, denominado velocidade crítica de arraste de ar (V'), conforme mostra a figura 10.70. Se a velocidade na tubulação for menor do que y' .deve-se promover a remoção de ar através de algum dispositivo. A determinação do valor da velocidade crítica tem sido objeto de estudos de diversos autores, como Kalinske e Bliss (1943), Kent (1952), Gandenberger (1966) e de Wisner et ai (1975), cujos resultados das pesquisas estão reunidos na figura 10.7!. A fórmula de Kent (1952) tem sido utilizada para determinar a velocidade de arraste de ar acumulado na tubulação. Sua equação é a seguinte:

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10.69 -Tubulaçâo com bolsa de ar. Em repouso (a) c em movimento, sem c com ressalto (b) e (e). Fonte: Quintela (/98/),

) ) ) ) ) )

) y* = I ,36J gD sen 8

)

(10.29)

) onde: y' = velocidade crítica de arraste de ar, m/s; g = aceleração da gravidade, m/S2; D = diâmetro da tubulação, m; 9 = ângulo que o conduto forma com a horizontal a jusante do ponto alto, conforme mostra a figura 10.70, graus.

Figura

lO.70 - Condições de acumulo de ar na tubulação

) ) )

)

,j )

402

) )

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO DE ESTAÇÕES

V

2.0

ELEVATÓRIAS

403

PARA poço DE VISITA DE ESGOTO OU OUTRO PONTO ADEQuADO DE LANÇAMENTO

) ..: 1.5

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Kolinskea Bli ss

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1.0

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0.2

0.3

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06

0.7

0.8

0.9

DE RECAlQUE

PLANTA

~'~-~'----~'---~'--~--+----~I--~--~

0.1

LINHA

1.0

TAMPÃO

) )

Figura

)

10.71 - Velocidade critica de arraste de ar (V*) vcrsus dcclividadc Edniunds (/979).

da tubulação.

FOI/te:

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I nstaíação

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) lW;f:l' ) ~!;lj.1 ) í,I:;11

Devido às divergências existentes entre as várias pesquisas, conforme mostra a figura 10.64 e já que elas foram realizadas em diâmetros pequenos, Tsutiya( 1989) propõe a utilização dos valores mais conservadores: para 0::;23" a pesquisa.de Wisner et ar; e para 8.>23" a de Kalinske e Bliss,

:1.

para

a remoção

Metcalf & Eddy (1981) recomendam

a utilização do dispositivo

)

•

Tipos de materiais

) )

) ) ) )

CORTE

da figura 10,72

Materiais das tubulações

Os materiais utilizados dependem do diâmetro da tubulação, da pressão de serviço, das características do esgoto, da dec1ividade do terreno, da altura de aterro, do tipo de solo, do método de assentamento e de seu custo econômico.

ELASTI

llli1m~§tt~~ft§~i;::: CAMAOA

utilização desse dispositivo para substituir as ventosas, Outro dispositivo igualmente utilizado com sucesso é o ferrule, que é instalado de forma semelhante ás ligações domiciliares de água, Essa alternativa, entretanto, requer que o operador abra o registro para a remoção do ar contido na tubulação.

10.8.4;

DAS PAREDESCO'" MA rERIAL

de ar

para a remoção de ar. As tubulações desses dispositivos devem variar de 20 a 50 111me quanto maior o diâmetro da tubulação dc recalque, maior deverá ser o diâmetro do dispositivo, Pela eficiência e baixo custo de implantação, recomenda-se a

) 11., :1 ) lI!,lv1 "

de dispositivos

F=~~==d:1==#~===t--VEDAÇÃO

Figura

10.72 -. Dispositivo

CO'

DE MATERIAL

GRANULAR

B-B

para remoção de ar. Fonte: Me/cair & Eddy (/98/).

Nas elevarórias, é comum o uso de ferro fundido dúctil com revestimento de cimento para diâmetro menores do que 600 mm e, no caso de diâmetros maiores, utiliza-se tubulações de aço, devido às facilidades de montagem, Para as linhas de recalque podem ser utilizados os materiais apresentados na tabela 10,9. A prática, porém, indica a utilização de tubulações de ferro fundido dúctil com diâmetros variando de 100 a 1.200 rnme tubulações de aço para os diâmetros acima de 600 rum. A escolha das tubulações a serem utilizadas depende essencialmente dos problemas técnicos e econômicos de cada projeto,

")

Jllj ;:li .,I 1 1"

PROJETO

404

COLETA

E TRANSPORTE

Tabela

Tabela 10.9 - Materiais utilizados nas linhas de recalque. Material da tubulação

405

ELEVATÓRIAS

Diâmetros

Tipo de junta

Observações

Condições

usuais (mm)

100cl200

junta elástica

100- 600

Concreto

junta elástica

betu 100-500

junta elástica

PVC

100 - 300

junta elástica

Poliéster reforçado com fibra de vidro

100 - 2500

junta elástica

í:\

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)

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mau estado

.,

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)

:!!i

com superficie

Aço galvanizado Fibrocimento

)

!

!f"

novo 25 anos de uso 50 anos de uso

PVC Ferro fundido cinzento

das tubulações

interna lisa

140

130

150

130

120

100

Control Federation

60

150

130

100

130

110

90

50

80

45

120

vitrificado

H0ter Pollution

f!li n·r

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I" :fl

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Ferro fundido

Fome:

140

com revestimento

111 inoso

Aço revestido,

150

~ i~

(/984). \

""

,,<\

Concreto pretendido

junta elástica

400 - 2500

Tabela acima de 600

10.11 . Coeficiente

de rugosidade (K) em

111m

!~

Coeficiente de rugosidade (mm)

Material Tubos de aço com revestimento

•

0,025 - 0,125 0,125 (*)

especial ou esmalte

0,04 - 3,0 0,30 (*)

Tubos de concreto

Coeficientes de rugosidade dos materiais

Para o cálculo das perdas de carga utilizando-se a equação de Hazen- Wi lliams, podem ser adotados os coeficientes de rugosidade indicados na tabela 10.10. Recomenda-se, em geral, a utilização de C= I00 para tubos de ferro fundido sem revestimento, e C= 120 para tubos de ferro fundido revestidos, tubos de concreto, tubos de aço com diâmetro maior ou igual a 5.00 mm e tubos de plástico

(PVC). Quando se utiliza a fórmula Universal para o cálculo das perdas de carga, podem ser utilizados os coeficientes de rugosidade indicados na tabela 10.11. Segundo Azevedo Netto et ai. (1998), a experiência francesa recomenda a adoção dc K=0,1 mm para tubos não sujeitos à corrosão e incrustação, e K =2 mm para tubos sujeitos a esses fenômenos de deterioração.

sem revestimento

especial

0,06-2,1 0,25 (*)

com revestimento

especial

0,1 - 0,20 0,125 (*)

Tubo de ferro fundido e ferro dúctil

Tubos de cimento

amianto

FeiTO galvanizado Tubos lisos, chumbo,

cobre, latao, etc.

Tubos cerâmicos

sempre

que o diâmetro

for superior

a 500 mm, as válvulas

devem

ter

Netto ct aI. (/998). (*) Valor sugerido por Azevedo Netto, para tubulações em serviço.

FOI/te: Azevedo

)

i

"

) ) )

) ) ) ) ) ) )

0,06 - 0,24 0,15 (*)

)

< odor

)

0,02 - 0,12 0,10(*)

VÁLVULAS

As válvulas selecionadas devem ter pressões de serviço compatíveis com as máximas pressões previstas; possuir indicação clara de posição aberta ou fechada; e seus componentes sujeitos a desgaste devem ser de bronze ou aço inoxidável. Além disso,

0,03 - 0,20 0,05 (*)

0,02 (*)

PVC 10.9.

)

)

para a fórmula Universal.

soldada

)

I

L.

pl 'L

10.10 - Valor do coeficiente C de Hazen-Williams.

Material da tubulação Ferro fundido dúctil

DE ESTAÇÕES

DE ESGOTO SANITÁRIO

)

1,0-3,0 1,5 (*)

) ) ) ) ) )

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1) )

I

)

406

!

COLETA E TRANSPORTE

.;

DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO DE ESTACàES

ELEV ATÓIÚAS

407

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i

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acionamento motorizado. No caso de acionarnento manual, o esforço tangencial a ser aplicado ao volante ou acionador deve ser inferior ou igual a 200 N; caso esta condição não possa ser atendida, deve ser previsto acionamento motorizado, hidropneumático ou redutor mecânico. Deverão estar localizadas em pontos acessíveis ao operador. Caso isso seja inviável, deverão ser previstos acessos através de piso, escadas ou acionados por corrente, ou ainda mecanizados, qualquer que seja seu diâmetro. Válvula gaveta As válvulas gaveta são utilizadas para isolar as linhas de sucção e de recalque, nas ocasiões de manutenção das tubulações e equipamentos eletro-rnecânicos da elevatória. Permitem boa vedação mesmo em altas pressões e, quando completamente abertas, oferecem pouca resistência ú passagem do líquido. A vedação é obtida em parte pela pressão da água sobre a gaveta, forçando-a contra a guia/sede. Válvulas de grandes dimensões e grandes pressões requerem um dispositivo denominado "by-pass", de forma a estabelecer um enchimento e uma compressão pelo outro lado da face da gaveta. sem o que sua abertura será bastante di ficultada. Também são utilizados nas tubulações de sucção. Para elevatórias de esgoto são recomendadas haste ascendente, com volante (figura 10.73). PORCA

válvulas

gaveta flangeadas

Válvula de retenção As válvulas de retenção permitem apenas o escoamento do fluxo em uma direção e destinam-se à proteção elas instalações de recalque contra o refluxo ela água. Existem vários tipos de válvulas de retenção, mas para as elevatórias de esgoto recomenda-se o tipo portinhola. Sob condições normais de operação, as portinholas da válvula se abrem no sentido elo fluxo, enquanto que, havendo uma paralisação elo fluxo, automaticamente a portinhola se fecha por gravidade ou com a ajuda ele um contrapeso, impedindo o retorno da água. Podem ser utilizadas válvulas de retenção tipo portinhola única (figura 10.74), com ou sem by-pass. A norma da ABNTNB-569 de 1989 não recomenda a utilização ele válvula de retenção do tipo "dupla portinhola" no fluxo de esgoto.

de

00 VOlANTE

~------L----~~I

VOlANTE PORCA

DA BUCfiA

Figura

BUCHA. DA fiASTE

10.74 - Válvula de retenção tipo portinhola

única. Fonte: Caiúlogo

da Barbnra

fiASTE CASTELO P~EME

GAXET i\

PARAFUSO

00

PREME

GAXETA

GAXETA BUCHA

CONl RA VEDAÇÃO

Válvula borboleta

TAMPA PARAFUSO JUNTA ANEL CUNfiA

E PORTA

00 CORPO

Para grandes diâmetros, as válvulas borboletas geralmente são mais econômicas do que as válvulas gaveta e requerem espaço menor para instalação. Às vezes, sua vedação não é tão eficaz quanto a da válvula gaveta, especialmente a altas

00 CORPO 00 CORPO

CXJ

GAVETA

ANEL OA CUNHA COAPO

Figura

)

10.73 - Válvula

Em instalações com problemas de transientes hidráulicos, às vezes é de fundamental importância que a válvula de retenção tenha um fechamento rápido. Nesses casos, tem-se utilizado freqüenternente a válvula de retenção Clasar, cujos detalhes se encontram na figura 10.75.

gaveta com haste ascendente.

FOII/e: Catálogo da Ferro Brasileiro

pressões. Oferecem maior resistência ao escoamento do que a válvula gaveta, devido à espessura do disco que obstrui a passagem do fluxo. Tanto a válvula gaveta como a válvula borboleta normalmente não são projetadas para operar em posições parcialmente abertas.

/

\

'1: 1,. .

408

.'. !. COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO PROJETO

DE ESTAÇÕES

409

ELEVATÓRIAS

Aberta

)

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---

)

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+-

)

,

)

"

) Fechada ,:".,;:'

)

:"',':;

Figura

10.75 - Válvula de retenção

de fechamento

rápido. Fonte: Azevedo Netto

('I

ai (/998).

Figura

10.77 - Extravasão por gravidade - Detalhes da instalação

)

da válvula Flap.

) Em instalações da ABNTNB-S69 esgoto.

de esgoto não é usual a utilização da válvula borboleta. A norma de 1989 não recomenda o uso da válvula borboleta no fluxo de

10.10.

)

REMOÇÃO DE SÓLIDOS GROSSEIROS

A remoção basicamente ção normal

de sólidos grosseiros do esgoto afluente àselevatórias é efetuada com o intuito de proteger os conjuntos clevatórios. No Brasil, a solupara tal fim é o uso de gradeamento logo a montante, na entrada do

poço de sucção. A seleção e dimensionamento dos dispositivos ou equipamentos dependem das características das bombas ou equipamentos que devem ser protegidos, das características e quantidade prevista do material a ser retido, bem como das dificuldades e necessidades operacionais da instalação. A norma da ABNT NB-S69 de 1989 admite os seguintes dispositivos para a remoção de sólidos grosseiros:

) )

) ) ) ) ) )

• Grades de barras, de limpeza manual ou mecânica; Figura

10.76 - Válvula borboleta. Fonte: Catálogo da Barburá,

Válvula Flap Ut.ilizada em extravasores por gravidade das elevatórias, a fim de evitar o refluxo da auua nas, ocasiõ d o ruve ' I maxrmo ,. ",' c ,Ioes do corpo receptor. Seu funcionamento é semelhant: ao da válvula de retenção. Na figura 10.77 são apresentados os detalhes de instalação da válvula Flap.

)

• Cesto; • Triturador; • Peneira. A trituração que detalhes

)

) dos sólidos grosseiros

sobre trituradores

do esgoto não é usual em nosso meio, sendo

são encontrados

(1971) e Water Pollution Contrai Federation

nas referências

Metcalf

&

Eddy

(1970).

)

) )

Instalações de gradeamellto Em elevatórias de pequeno porte, a solução mais comum é o uso de cestas removíveis por içamento, colocadas à altura da boca de descarga do coletar. Tam-

)

) ) )

)

),

410

)

bém são utilizadas

COLET!\ E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

grades de limpeza

__________

manual, desde que sejam instaladas

a baixas

profundidades.

)

) /ti:

) 'j,;

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) "!

Nas elevatórias de porte médio e mais profundas. utilizam-se normalmente grades com limpeza mecânica, com o próprio equipamento de limpeza das grades depositando os sólidos retidos em caçambas ou carrinhos previamente colocados em locais adequados. Nas instalações de grande porte, quando é comum a chegada de sólidos grosseiros maiores que podem prejudicar a limpeza de grade mecanizada, costuma-se utilizar uma grade grosseira a montante daquela.

----'-P..:.:Rc:;:O:.::..:JlTO OllSTJ\ÇÕES

I

I I

Para elevatórias até 250 fi/s, de vazão máxima, recomenda-se o uso de cestos removíveis (figura 10.78), porém, quando o volume de material a ser retido ou as dificuldades de operação relativas à localização da elevatória ou à profundidade do canal afluente justificarem, devem ser utilizadas as grades mecanizadas ( figuras 10.79 e 10.80). Para vazões máximas superiores a 250 Us, deve-se utilizar sempre grades mecanizadas. Nas situações em que a vazão de projeto é superior a 250 fls, porém, a vazão inicial é menor que este valor, executa as obras para a instalação futura das grades mecanizadas, embora, de início, possam ser utilizados cestos para a remoção dos sólidos grosseiros dos esgotos. Quando a limpeza for mecanizada, recomenda-se a instalação de pelo menos duas unidades; caso não haja essa possibilidade, deve ser construído canal de desvio protegido por grade de limpeza manual, com igual espaçamento entre barras . . Quando houver risco de danos ao equipamento de remoção, uma grade grossa, de limpeza manual, deve ser instalada a montante,

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CESTO RETENTOR DE MATERIAL

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=ttn==-=.

L

P~ANTA

Figura

CORTE

10.78 - Cesto rctcntor de material para vazões menores do que 250 Us. Fonte: SABESPPadronização de elevatorias.

\

/

\

!

lLE\! ATORIAS

4II

412

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

DE ESTAÇÕES

413

ELEVATÓRIAS

Classificação de grades de barras De acordo com o espaçamento

entre barras, as grades podem ser classificadas

em:

-Grade grossa: 40 a 100 mm; _ Grade média: 20 a 40 111m; _ Grade fina: 10 a 20 mm.

Critérios de projetos para grades de barras A seguir, serão apresentados

alguns critérios usuais para o projeto de grades de

barras.

_

Abertura

ou espaçamento

o espaçamento

.'

das barras da grade

útil das barras de grade deverá ser igualou

ligeiramente

às dimensões de passagem de sólidos pela bomba. Dependendo ção necessário ao equipamento de bombeamento, o espaçamento

inferior

) ) )

do grau de protevaria de 25 a 150

) )

111m.

A escolha

adequada

do espaçamento

é de fundamental

importância

para os

(

aspectos operacionais da elevatória. Os espaçamentos pequenos oneram os custos de operação. devido à necessidade de limpeza periódica constante, ao passo que espaçamentos maiores permitem a passagem de grande quantidade de materiais que poderão prejudicar o funcionamento A análise dos aspectos operacionais

dos conjuntos elevatórios. das várias eJevatórias existentes

)

) )

e dos pro-

)

jetos desenvolvidos, a consulta aos fabricantes de bombas e a literatura técnica sobre o assunto possibilitam concluir que é recomendável que o espaçamento fique compreendido entre 50 a 100 mm para cestos utilizados em eJevatórias com conjunto motor bomba subrnerso. Grades de barras não mecanizados, utilizadas em pequenas elevatórias apresentam, normalmente, abertura de 25 111m.A utilização de grades mecanizadas normalmente implica no uso de grades finas, com abertura

)

) ,

) )

)

entre 10 a 20 mm,

) /1----.---.----

_

Velocidade através das grades

) Recomenda-se que, para a vazão inicial, a velocidade mínima através das grades seja maior ou igual a 0,60 m/s, Para a vazão final, recomenda-se velocidade máxima

) )

menor ou igual a 1,2 m/s.

) (

) )

(

)

414 •

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

Perdas de cargas a serem consideradas

onde: YM

nas grades

YJ Após calcular as perdas de cargas nas grades, devem ser considerados no projeto os seguintes valores mínimos para estudos de condições de N.A. de montante:

= = =

Q

Q

1 (V-º--~ V2g 0,7 2g 2

-G -

onde: llHG VG VM g

= = =

perda de carga, m; velocidade através da grade, mls; velocidade imediatamente a montante da grade, mls; aceleração da gravidade, mls2• .

,NA

vazão, m /s; (conhecido) = Largura do canal da grade, m; (conhecido)

VJ

Q = B x Y = velocidade a jusante da grade, mls;

ll~

=

perda de carga na grade, m; pela equação

=

VG =--"QBuxYM largura útil da grade (número de espaços x abertura da grade).

=

10.30, onde

No caso de grades com limpeza manual, deve-se determinar a perda de carga para a grade 50% obstruída, para fins de desenvolvimento do projeto, de modo que esta perda de carga não cause remanso na tubulação de chegada do esgoto. Conforme já mencionado, o valor mínimo da perda de carga a ser considerado nestas grades é de 0,15 m.

GRADE

~~---':"----"""f

•

~lY"-r=-7E 10.81 - Esquema do escoamento

a jusante da grade, m/s;

J

(10.30)

Para o cálculo da lâmina de montante de' uma singularidade, no caso a grade, sugere-se a equação de conservação de energia.

Figura

= velocidade 3

B

2

]

=

415

M

A perda de carga nas grades pode ser estimada pela expressão:

llH

ELEVA TÓRIAS

Lâmina líquida a montante da grade, m; valor a se determinar; Lâmina líquida a jusante da grade, m; (este valor é conhecido, sabendo-se as condições do escoamento ajusante); Velocidade a montante da grade, mls; Bx Y

•• grades com limpeza manual: 0,15 m e grades com limpeza mecânica: 0,10 m

DE ESTAÇÕES

,NA

Inclinação

das grades de barras

A inclinação das grades de barras em relação à horizontal está normalmente compreendida entre os seguintes limites: • grades com limpeza manual: de 45° a 60°; • grades com limpeza mecânica: de 60° a 90° (mais usual de 75° a 85°).

através de uma grade.

Quantidade e natureza do material retido

Utilizando-se o esquema da figura 10.81, tem-se:

(10.31)

A quantidade de material gradeado é influenciada pelas condições locais, hábitos da população, época do ano etc., e depende muito da abertura especificada. Na tabela 10.12 são apresentados valores comuns na literatura de material gradeado, em função da abertura da grade. Na tabela 10.13 são apresentadas as quantidades de material retido nas grades, em algumas cidades do Estado de São Paulo.

) , ) ) 416

COLETA E TRANSPORTE

Tabela

10.12 - Quantidade

PROJETO DE ESTAÇÕES

DE ESGOTO SANITÁRIO

10.11.

de material gradeado em função da abertura da grade

ELEV ATÓRIAS

417

.

~

)

1~

UNIDADES COMPLEMENTARES

)

!

) Abertura da grade (111m)

Quantidade

de material gradeado Média

10 20 25 30

40 50 60

Tabela

10.13· Quantidade

Localidade

(eI1 OOJ esgoto)

As seguintes

51 37 28 16 10

5

8

(111m) Quantidade

25 50

de material

retido (kg/ru')

gradeado contém cerca de 80% de umidade e 960 kg/m', é mal cheiroso e atrai moscas. Quanto à natureza do material retido, na tabela 10.14 são apresentados os dados obtidos nas elevatórias operadas pela SABESP em São José dos Campos. O levantamento foi realizado em oito elevatórias, no período de janeiro a dezembro de 1980. As barras das grades são de aço com espessura 1/8" e espaçamento entre si de 2,5 em.

Jardim São José Pç. Geraldo de Oliveira Passarela Vila Cristina Rhodia FOI/te:

T.\'lIt(V{/

et aI. (/98 l ).

o ponto de medição

a jusante

Tecidos

Latas

(%)

('lia)

('lia)

(%)

10 9 9

16

I 4 2 2 3 4 2 4

51 6 10

II

9

16 10 12 13

10 10

12

8

10

II

) ) )

da grade de barras, quando esta for empregada.

) )

Pedras

8 8 9

são normalmente

utilizados,

com uma ou algumas

)

das se- .

)

guintcs finalidades: reunião de contribuições: regularização de fluxo; instalação de extravasor ou canal de desvio ("by-pass"); instalação de comportas ou "stop-logs ";

I)

gradeamenro: medição de vazão; inspeção e manutenção. Os canais afluentes são dimensionados de modo a se conseguir velocidade mínima igualou superior a 0,4 m/s para a vazão afluente inicial. Quando for prevista mais de uma etapa de construção, deverão ser projetados no mínimo dois canais a serem construidos inicialmente. Na primeira etapa será utilizado

apenas um, ficando o outro de reserva.

tas para isolamento

Tabela 10.14·· Natureza do material retido nas grades.

68 70 63 72 67 65 70 64

)

Cal/ais afluentes

o material

Tatetuta Santa Clara Melvin Jones

)

Os medidores de vazão afluente mais comumente utilizados, têm sido as calhas Parshall e o Palmer Bowlous, cujos detalhes são encontrados no capítulo 8. Esses medidores podem ser usados para controle do escoamento no sistema de gradeamento. Medidores da vazão de recalquc também podem ser utilizados. Recomenda-se a previsão de facilidades para a instalação de medidor da vazão afluente, localizando-se

. Os canais atluentes

Plásticos

)

)

0,008 a 0,012 0,0060 a 0,0084 0,002 a 0,0042

20

Dejetos humanos(%)

)

Sistema de medição de vau/o

Fonte: Tsutiya (I 983}.

Elevatórias

Ir>

são usuais nas elevatórias:

• sistema de medição de vazão; • canais afluentes; • sistema de extravasão.

de material retido em grades.

Pinhal São José dos Campos Águas da Prata

complementares

Máximo

58 29 20 15 9 6

Espaçamento

unidades

10.12.

Esses canais deverão

) ) ) )

ter compor-

, )

nas extremidades.

SOLUÇÕES ELÉTRICA

DE EMERGÊNCIA

)

NA FALTA DE ENERGIA

) )

A necessidade de garantir a continuidade de escoamento do esgoto, durante as interrupções de energia elétrica ou quando a interrupção for devida à manutenção dos conjuntos elevatórios, tem conduzido a diversas soluções, das quais nenhuma se mostra inteiramente

) )

satisfatória.

)

7

Duas soluções

são uti Iizadas com maior freqüência:

to

• gerador de emergência; • extravasão por gravidade.

) ) f

)

()

.., )

,

)'"

418

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

PROJETO

DE ESTAÇÕES

ELEVA TÓRIAS

419

) Gerador de emergência

) ) ) ,.", 'ht ) ,qf \P'

)

tll

)

O'·

~,. . )

..«.

),

Embora seja a melhor solução do ponto de vista técnico, é a mais onerosa em termos econômicos. Em países de infra-estrutura sanitária mais desenvolvida, esta solução tem sido a mais adotada, mas deve ser considerada com reservas em países em desenvolvimento, como o nosso, onde a limitação econômica é fundamental. Os geradores de emergência, de acionamento manual ou automatizado, devem ser instalados em locais onde haja interrupção freqüente de energia elétrica. Nos locais em que as interrupções de energia elétrica são pequenas, o gerador de emergência não tem sido comumente utilizado, pois considera-se que nesse período o esgoto possa ser armazenado nas redes coletoras, coletores-tronco e interceptores, até o retorno da energia elétrica. Extravasão por gravidade Tem sido a solução mais utilizada em nosso país, por apresentar baixo custo de implantação, particularmente se comparado com o do gerador de emergência. O principal problema do uso do extravaso r é a poluição do corpo receptor, durante o período de sua utilização. ' O extravaso r deverá ser localizado num poço de visita situado a montante da elevatória ou no canal afluente. O poço escolhido não precisa ser aquele imediatamente anterior à unidade de recalque, mas o mais próximo do corpo receptor. Existindo galerias de águas pluviais próximas à elevatória, é usual fazer uso delas, quando possível, para a extravasão do esgoto. , O sistema de extravasão deve ter capacidade para a máxima vazão afluente a elevatória inclusive considerando o acréscimo devido à contribuição pluvial parasitária, quando for o caso, e encaminhando os esgotos para uma disposição conveniente. A cota da soleira do extravaso r deve estar pelo menos 0,15 m acima do nível máximo de operação das bombas. O nível máximo de extravasão não deve causar remanso na tubulação de esgoto afluente, nem causar problemas de inundação no local da elevatória. Entretanto, se o nível máximo de extravasão não evitar remanso no conduto afluente, deve ser verificada sua influência a montante. É imprescindível que se verifique o nível máximo a ser alcançado na extravasã?, com relação à cota dos poços de visita e soleiras das casas situadas em locais desfavoráveis (mais baixos), pois, se o nível do extravaso r for mais alto, o esgoto irá extravasar antes, através dos tampões dos poços de visita ou pelas casas. Dev~se ainda estudar o comportamento do sistema de extravasão perante o nível máximo de água do corpo receptor, para evitar que a água reflua através do extravasor. Para evitar o refluxo, na maioria dos casos se utiliza comporta de retenção (flap valve).

)

10.13

EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO ELEVATÓRIA

DE UMA ESTAÇÃO

Descrição geral do sistema Os esgotos provenientes dos coletores serão reunidos em uma caixa de distribuição, para em seguida ser encaminhada às instalações de gradeamento que constará de uma grade fina de limpeza mecanizada e uma grade reserva de limpeza manual. Para medição dos esgotos afluentes e para controle do escoamento no sistema de gradeamento, será utilizada a calha Parshalllocalizada a jusante das instalações de gradeamento. Em seguida, os esgotos serão encaminhados para o poço de sucção da elevatória. Na elevatória serão instalados quatro conjuntos motor-bomba sendo que três deles serão instalados na IA etapa e o 42 conjunto na 2' etapa; Para as ocasiões da falta de energia elétrica foi previsto o extravasador por gravidade e também a drenagem da linha de recalque, ' A concepção do sistema a ser projetado é apresentado na figura El. Vazões afluentes Ano Início do plano (1998) IA etapa (2008) 2ª etapa (2018)

Vazão total de esgotos ~édia ~áxima 96,18

136,44

163,85

243,16

215,68

316,76

Solução A) Controle do Escoamento nas Instalações de Gradeamento Com o objetivo de se manter uma velocidade, razoavelmente, "constante" para a vazão afluente variável, será utilizada a calha Parshall precedida de um rebaixo. O cálculo do rebaixo será para atender a: Qm3X= 317 eis e Qmim= 55 eis

) )

, jl,

,,11' ,i III I

420

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO DE ESTAÇÕES

ELEV J\TÓRIAS

421

Para o cálculo H" foi utilizado a equação 0=2,397 WI•016 HI.5~H apresentado na tabela 8.6 do capítulo 8.

)

~ fI

)

'I

)

1I

1 I,

)

1\11

e

)

• Cálculo de Z

li;,

0,055 0,196-Z

0,317 ' 0,599-Z

0,055 (0,599 - Z) = 0,317 (0,196 - Z) 0,033 - 0,055Z = 0,062 - 0,317 Z 0,262 Z = 0,029 Z = 0.110 rn

"l,

• t ~.

0=55 Us Q=136Us Q=234 fís Q=317Us

Y=0,096m Y=(),,249m Y=0,405m Y=0,500m

.q;

)

(

I

: '!

) )

,i

)

i

) )

,

)

I',

)

!,',

r ~

!fí B.

)

~fi

,li: ) . ~L

Será utilizado o rebaixo de Z = O,IOrn • Lâminas de água na calha de Parshall

)

,,'

I

)

(

Gradeamento )

B.I.

)

Grades

Figura LI - Concepção do sistema

Serão utilizadas 02 grades sendo:

) )

Determinação do rebaixo Z: t Qmin • V -=ce.=---"-'-""'--

o.,

HA.min -Z

• Largura nominal da calha Parshall: LN= 30, W = 30,5 em (obtido através da tabela 8.5 do capítulo 8) • Valores de H" para diversas vazões: Q=55 tis Q=136 (l/s Q=243 tls 0=317 n«

H,=0,196m H,,==0,349m H~=0,505m H"=0,600m

• Para operação normal, O1 grade fina, com abertura de 19 mm, retangular de limpeza mecanizada. • Como reserva, para ser uti lizada em parada da grade mecan izada, ()1 grade média, com abertura de 25111111, inclinada, de limpeza manual.

B.2.

Condições

a serem atendidas pelas grades

) )

) )

) A grade de limpeza mecanizada e a de limpeza manual deverão atender as seguintes condições:

) )

• Velocidade através da grade: VG::;: 1,2 m/s; • Velocidade no canal à montante da grade: V M2: 0,4 m/s (pelo menos uma vez ao dia);

) ) ) )

J ) )

422

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO

PROJETO

SANITÁRIO

DE ESTAÇÕES

ELEVATÓRIAS

423

) • Perda de carga na grade Ó.HG: para fins de estudo de remanso de montante, ó.HG ~ 0,10 m, para grades mecanizadas e Ó.HG ~ 0,15 m, para grades de limpeza manual.

) ) ) )

,~

:

B.3

d

) )

• Número de espaços da grade (Nc) Ne =

B'

0,704 = __ = 37 espaços a 0,019

_u

Grade de limpeza mecanizada Características da grade de limpeza mecanizada:

• Número de barras (Nb) N, = Nc+ 1 = 37+ 1 = 38 barras

• • • •

• Largura do canal da grade (B) B = Nc.a + Nb.e = Bu+Nb.e B= 0,704 + 38. 0,0095 = 1,07 m B = 1,07 fi (valor adotado)

tipo: grade de barras inclinada; abertura livre das barras: 19 mm; espessura das barras: 9,5 mm; ângulo com a horizontal: 80°.

A figura E2 apresenta o canal com a grade, onde tem-se, a largura do canal (B), abertura livre entre duas barras (a) e a espessura das barras (e).

• Largura útil do canal (Bu) B, = Nc.a = 37xO,0 19 = 0,703

fi

A figura E3 apresenta as condições hidráulicas a montante e ajusante da grade.

BARRAS

,NA

GRADE ,NA

I~ Figura

B

~I

Figu ra E.3 - Características

hidráulicas da grade de limpeza mecanizada.

E2 - Canal com grade

- Cálculo da velocidade no canal ajusante da grade A seguir são detalhados os cálculos para a determinação da largura útil da grade, número de espaços da grade, número de barras e a largura do canal da grade.

YJ=~

Y.B

)

• Largura útil aproximado da grade (B' u)

) , )

Para uma velocidade através da grade limpa de aproximadamente 0,9 m/s, desconsiderando-se, em primeira aproximação, a perda de carga na grade limpa, tem-se a largura útil aproximado da grade:

.) ) ) ) i

)

)

I

B' =

Qmax

u

Y.Y

=

0,317 =0704m 0,500xO,9 '

• Q = 317 C/s

YJ =

• Q = 243C/s

YJ ='

•

YJ =

Q=136C/s

0,317 0;500xl,07

= 0,593 m/s

0243

. = 0,561 m/s

0,405xl,07 0,136 0,249xl,07

=0,510m/s

"")

) ~', ~ 1

424

COLETA

E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITARIO

PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓIUAS

425

I

) ) )

I

(y y 2

2

?

0,00447

YM +

)

Perda de carga na zrade: 61-1 G = -.SL. - ~ b' 0,7 2g 2g

YM

J

. _ V~1 VJ- Determinação de Y ~1: Y M + -' - = YJ + - + 61-1 (i 2g 2g

?

YM

, = 0,500+0,0179+0,10

)

+ 0.00;47

= 0,6179

) I)

Y;1

- Para grade limpa, com Q=317 eis.

)

Y~, - 0,6179 Y~, + 0.00447 = O

) )

0,3172

V~ _

0,00447

2g - 1,072 xY~, x19,62

Y M= 0,606

=Y~

0,3172

2g

YM =

._ 0,0 I04

0,7032xY~1xI9,62-

M

0,00447 + , YM

0,606 x 1.07

= 0.49 m/s

61-1 =O,IO=_I_(Y;'

0,7

Y~ I,,'

0,10=:

, (0,0104~0,00447) 0,7 X Y~,

O -179 0,00847 ,) + , Y~1

=

0,317

I 0,7xI9,62

2g

- Y~). 2g

(Vl,-0,492)

V~=1,6135

Para se manter ylis, 1,2 m/s, a limpeza da grade deverá ser feita de modo a não permitir .6.1-1(;;:::: 0,08 m.

Y 11.1 = 0,532 m

YG

=

0.532 x 0,703

= 0,848 m/s

) ) ) ) ) )

Y(;=1,27m/s

Y~, - 0,5179 Y~1- 0,004 = O

0,317

) )

, 0,00447 YM +--, -=0,500+0,0179+, Y~I' Y

)

)

y' 0-9";' ~ = -2:~ = 0.0179 2g 19.62

y(~ =

m

- Verificação para as demais vazões de interesse.

) )

) )

) YM =

0,317 0,532 x 1,07

= 0,557 m/s

0,00847 6H(j = ---,= 0,030 111/S 0,532 ~ - Determinação de Y M para 6HG_ O,I0111--+ somente para NA crítico de montante da grade: 2

Y

V

M

+~= 2g

2

V

Y +_J +010 J 2g ,

Para as demais vazões de interesse seguiu-se o mesmo procedimento utilizados para as verificações na grade mecanizada com a vazão máxima de final de plano e os resultados são apresentados na tabela Resumo das Condições Operacionais das grades. Observa-se que a grade mecanizada operará adeq uadamente desde o início até o final do plano.

) )

) ) )

B.4.

Grade de limpeza manual:

Em um canal paralelo ao da grade mecanizada será instalada uma grade de limpeza manual, para operação em casos de emergência. Embora a NB 569il989

) ) ) )

., )

)

426

COLETA E TRANSPORTE DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS

) )

) )

)

,'t, ),

indique que a grade manual deve ser de mesma abertura que a grade mecanizada, decidiu-se pela utilização de uma grade média, com abertura de 2,5 em que requer menor freqüência de remoção do material retido do que para a= 19 mm, sendo, consequentemente, mais adequada à operação de limpeza manual.

~

11.

- Características da grade de limpeza manual:

f"

)

I;,

)

,t.;.'

)

t,i.-

• Tipo: grade de barras inclinadas; o Abertura livre entre as barras: 25 mm; • Espessura das barras: 9,5 mm; • Ângulo com a horizontal: 45°.

)

A figura E4 apresenta as condições hidráulicas a montante e ajusante da grade.

) ,NA

)

)

Largura do canal da grade: B = 31 x 0,025 + 32 x 0,0095 = 1,079 m B = 1,07 m (adotado a mesma largura do canal com grade mecanizada) Largura útil da grade: Bu= 31 x 0,025 = 0,775m - Cálculo da velocidade no canal a jusante da grade

Q (eIs)

)

)

Número de barras: N, = 32

-

317 243 136

0,593 0,561 0,510

- Para grade limpa, com

}

Figura E.4 - Características

hidrálicas da grade de limpeza manual.

Q = 3 I7 R.ls.

y2 y2 yM+---,--M..=y +_J +6H J G 2g .. 2g

)

y2 ---,--M..=

) )

}

)

)

) )

Para o controle do escoamento com calha Parshall LN= 30, W = 30,5 em, tem-

2g

03172 ' 2

1,07 xY~ x19,62

0,00447 y2

Q = 317 fls Q = 243 R.ls Q = 136 fls

°

2 y} = 0,593 = 0179 2g 19,62 '

YJ = 0,500 m YJ =0,405 m YJ = 0,249 m

Para uma velocidade através da grade limpa deV == 0,8 m/s, desconsiderandose, em princípio, a perda de carga na grade, a largura útil aproximada da grade será:

B' = u

°

0,317 = 7925 m 0,500xO,8 '

0,00853 y2 M

0,00447 YM +--2 - =0,500+0,0179+ YM YM+ 0,00447 = 05179 + 0,0058 y2 ' y2 M

Número de espaços da grade: Y~ -0,5179 Y~ -0,00133 =

) ) ) )

)

M

se:

N = 0,7925 =317 e 0,025 '

----7

serão usados 31 espaços.

M

°

1

2 (0,00853-0,00447) 0,7xYM

427

) )

'i1f! 428

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITARIO

PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS

'r ) ,;u; )

429

.'1) ).-J ) A NB-56911989 recomenda V G~ 1,2 m/s, porém, pode ser uma grade reserva, o valor de V G= 1,32m/s, para a condição crítica da grade 50% obstruída, é um valor aceitável. As limpezas deverão ser feitas antes que se chegue a 50% de obstrução da grade.

Y M = 0,523 m VM ,

0,317

=

= 0.566m/s

1;07x 0,523

'iÍ!

::1 )

';;, ) 'ir I

~

= 0,782 m/s

- Determinação montante da grade.

de Y M para L'lHG

,

= -' --

0,5322

:

.

" '" :,1 )

YM + 0,00;47 =0,5179+0,15

= 0,021111/s

)

"!~;( )

= 0,15m ~ somente para NA crítico de

;\

,

L'lHc

f

,IP

0.317 Ve; = ' . 0,775xO,523 0.0058

j

I~

YM

'I' )

.I

I

)

It

- Verificação para vazão máxima com 50% da grade obstruí da _V_(~

0,0340 y2

0.3 17 0.3882

2g

X

Y ~1 x 19,62

grade

1,07 x Y~ x 19,62

1

y~ Y M + 0,00447 J

= 0,500 + 0,0 179 + =

0-179 ,)

+

0,04219 2

Y~1

YM

Y~t - 0,5179 y~ - 0,03772

YM V1'.1

= 0,617 =

I

)

) )

Para as demais vazões de interesse seguiu-se o mesmo procedimento utilizado para as verificações relativas à vazão máxima de fim de plano, Os resultados são apresentados na tabela Resumo das Condições Operacionais das Grades. '

19,62 0,00447

)

d

M

2

Y 1'.1 +

":

- Verificação para as demais vazões de interesse:

y} = 0,593 = 0,0179 2g

)

~

)

0.00447 y2

2

.,: I

M

V;1 2g

Y~ +0,00447 =0

Y M = 0,658 m ~ este valor é para verificar o máximo NA a montante a

2

=

Y~ -0,6679

=

°

m

)

)

1 ?

~7xY~

)

(0,0340 - 0,00447) (

) )

,

) ) ) )

0,317 0,617 x 1,07

= 0,480 m/s

)

) VG =

0,317 0,388 x 0,617

= 1,324 m/s

)

) L'lHG

0,04219

= ---J-

0,617-

= O.l

l l m/s

) ) ) )

430

COLETA

E TRANSPORTE

- Verificação

". t.t j ~

.,

DE ESGOTO SANITÁRIO

______

C.

Estação

Ci l ,

Vazão de Dimensionamcnto

'. das Condições

Operacionais

das Grades

Vazão de operação

Grade mecanizada a = 19 mm B = 1,07 m

Grade reserva manual a = 25 mm B = 1,07 m

317 R.Is

V(;=0,848 m/s (grade limpa) ilHG= 0,ü30 m (grade limpa) YM=0,532 m (grade limpa) VM=0,557 rnls(grade limpa)

VG=0,782 m/s (grade limpa) LlH(;=0,021 m(gradelimpa) YM=0,532 m (grade limpa) VM=0,566 m/s (grade limpa)

YM.max= 0,606 m (para ilHG= 0,10 m) Y)=O,500m

VG=1,324mls (grade 50% obstruida) ilH(;=O,lll m (grade 50% obstruida) YM=0,617m (grade50"1oobstruida) VM=0,480 mls (grade 50% obstruida) YM"m,=0,658 m (parailHG=0,15 m) Y)=0,500 m

VG=0,800 InlS(grade limpa) ilH(j=0,026 m (grade limpa) YM=0,432m(gradelimpa) VM=0,526 mls (grade limpa)

V(;=O,74Imls (grade limpa) ilH(j= 0,0 19m (grade limpa) YM=0,423 m (grade limpa) VM=0,537 mls(grade limpa)

) VG=1,228 m/s (grade 50% obstruida) ilH(;= 0,095 m (grade 50% obstruida) YM=0,510m(grade50%obstruida)

)

) )

)

) ) )

) ) )

)

136 eis

431

de Esgoto

Ano

Vazões (Os) Média Máxima

Início do plano (1998) I" etapa (2008) 2" etapa (2018)

96,18

136,44

163,85

243,16

215,68

316,76

C.2.

243 eis

ELEV 1\ '('ORlAS

para as demais vazões de interesse:

Para as demais vazões de interesse seguiu-se o mesmo procedimento utilizado para as verificações relativas à vazão máxima de fim de plano. Os resultados são apresentados na tabela Resumo das Condições Operacionais das Grades. Resumo

Elevatória

-'--'-'PIc:..:W:::J.:::.E·~rO::...D~E"_'=': E.STI\ÇÕES

Vc;=O,717mls(gradelimpa) ilHc;= 0,0214 m (grade limpa) YM=0,270 m (grade limpa) VM=0,47 mls (grade limpa)

VG=O,662mls(grade limpa) ilH(õ=0,022 m (grade limpa) YM=0,265m(gradelimpa) VM=0,480 mls (grade limpa) VG=1,072mls (grade 50"/0obstruida)

Etapas

de implantação

da elevatória

A construção civil da elevatória para atender todo o horizonte de projeto, será executada no início do plano. Os conjuntos motor-bomba serão etapalizados, sendo que inicialmente serão instalados 3 conjuntos motor-bomba para atender até a I" etapa, sendo 2 conjuntos funcionando normalmente e I conjunto de reserva. A partir de 2008 será instalado o 4" conjunto motor-bomba. Também, neste caso, I conjunto será de reserva.

C.3. • • • •

Desnível

geométrico

Cota do NA""" = 764,07m Cota do NA = 763,07m Cota de lançamento = 773,49m Altura geométrica: máxima = 1O,42m mínima = 9,42 m lllill

)

•

)

432

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO

SANITÁRIO

I

l d I

)

'j ,

)

'f

PROJETO

DE ESTAÇÕES

ELEVATÓRIAS

433

ru

d~

)

'u: C.4.

Esquema do sistema de bombeamento

"

• Mínima: 0,60m/s • Máxima: 3,Omls

)

Entretanto, deve ser elaborado um estudo do diâmetro econômico, conforme diretrizes indicadas no item 10.8.3, deste capítulo. Admitindo-se que, pelo estudo do diâmetro econômico resulta o diâmetro de 500 mm, este será adotado neste dimensionamento. A linha de recalque será de ferro fundido dúctil, classe K-7, ponta e bolsa, junta elástica e revestido internamente com argamassa de cimento.

poço DE sucçxo

)

q

,01

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C.6.

)

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)

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Seleção do conjunto motor-bomba

C.6.1.

Curva característica

It ) ,

do sistema

)

BARRILETE

, ) C.6.1.1

Cálculo das perdas de carga

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0~QQ
rri=l'-J><~=:Ó--'e-'<:.G~,-o\j'<:.

- Perdas de cargas localizadas

t :

)

)

As peças relacionadas, à seguir, foram retiradas dos desenhos, apresentado ao final deste exemplo. Peça

ESTAÇÃO ELEVATÚRIA

Figura E.S - Esquema do sistema de bombeamento.

C.S.

Linha de recalque

C.5.1.

Etapa de implantação

A linha de recalque da estação elevatória será implantada no início do plano. C.S.2

Escolha do diâmetro

Para a escolha do diâmetro da linha de recalque, a NB 569 de 1989 recomenda os seguintes limites de velocidades:

2 curvas 90° - 300 mm (*) 1 válvula gaveta - 300 mm (*) 1 válvula de retenção - 300 mm (*) 1 tê, saída de lado - 300 x 500mm (*) 1 tê, passagem direta - 500 mm (*) 2 tê, passagem direta - 500 mm (*) 1 curva de 45° - 500 mm (**) 2 curvas de 90°- 500 mm (**) 1 saída de canalização - 500 mm (**)

)

,

)

(

)

K 0,80 0,20 2,50 1,30 0,60 1,20 0,20 0,80 1,00

(1) (1) (1) (1) (2) (3) (3) (3) (3)

(*) peças no barrilete (**) peças na linha de recalque

) I

)

) ) ) ) )

) (1) L K=4,80, para vazão Q/3 (2) L K= 0,60, para vazão 2Q/3 (3) L K= 3,20, para vazão Q

) I )

)

As velocidades nas tubulações de 300 mm e 500 mm para as situações de 1, 2 e 3 bombas operando são apresentadas a seguir

) )

':

)

I . I

)

434

COLETA E TRANSPORTE

DE ESGOTO SANITÁRIO

PROJETO DE ESTAÇÓES

ELEVATÓRIAS

435

) Vazão I'/s

)

)~

,.

),

). )

J

;. ) .

2 bombas

I bomba

),

I

3 bombas

40 80 120 16O 200 240

20 40 60 80 100 120 140

I bomba

2 bombas

3 bombas

0,28 0,57 0,85 1,13 1,41

0,20 0,41

0,31 0,61 0,92

60 120 180 240 300 360 420

280

- Perda de carga distribuída

Velocidade (m/s)