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INSTITUTO POLITÉCNICO – Centro Universitário UNA
Curso: Engenharia Mecânica
PROJETO DE REAPROVEITAMENTO DE ÁGUA DA ETE
Daiana Guimarães e Marcelo Bernardes.
Professor orientador: Toshizaemon Noce
1. Introdução
As indústrias que são consideradas como grandes poluidores dos rios estão se adaptando a nova moda da
sustentabilidade e, com isso, descobriram que o reuso da água além de contribuir para o meio ambiente
também podem ser uma ótima oportunidade para reduzir os custos.
Este trabalho apresenta um sistema de tratamento para reaproveitar a água da rede de esgoto (ETE) de
uma empresa de grande porte voltado para o ramo de maquinas de construção civil. A água da ETE será
submetida a vários tratamentos para que se torne reaproveitável no sistema industrial de lava jato e teste
de chuva. Esta água após passar por todos os tratamentos e voltar a sua composição original será
depositada em um reservatório no qual será bombeada através de duas bombas vibratória ligadas em
paralelo para transportar o volume necessário de água por dia. A água limpa será bombeada ate a caixa
d’água onde possui um volume máximo de 20 m³ e em seguida será reutilizada para os processos
industriais como lava jato e limpeza de piso.
O objetivo deste trabalho é apresentar um sistema de bombeamento no qual a bomba utilizada é uma
bomba vibratória submersa para bombear a agua limpa captada pelo reservatório após o tratamento da
ETE. Além disso, demonstrar os conhecimentos obtidos durante o semestre.
2. Referencial Teórico
As bombas volumétricas também conhecidas como hidrostáticas ou de deslocamento positivo são bombas
onde o fluido adquire movimento e pressão em seu interior sem apresentar nenhum aumento da
velocidade, em seguida o fluido é aspirado e recalcado para o reservatório. Esse tipo de bomba é ideal
para fluidos que não dependa da pressão, ou seja, é adequada á transmissão de força hidráulica.
As bombas volumétricas são classificadas conforme o mecanismo responsável pelo deslocamento do
liquido e são divididas em dois grupos: bombas rotativas e alternativas. As bombas alternativas são
aquelas no qual utilizam como elemento de impulso o diafragma ou pistão inserido em um cilindro para
realizar o movimento alternativo do fluido. As bombas rotativas são aquelas em que o deslocamento do
fluido se dá através da rotação do sistema mecânico que podem ser engrenagens, lóbulos, parafuso entre
outros.
Bombas vibratórias ou bomba sapo é um bom exemplo de bomba alternativa, onde a energia fornecida
para o liquido se dá por uma membrana (diafragma) acionada por uma haste alternativa. O movimento
realizado em um sentido diminui a pressão da câmara admitindo um volume de liquido. Quando o
movimento é inverso ao da haste, o volume é descarregado na linha de recalque. A figura abaixo mostra
a estrutura de uma bomba alternativa do tipo submersa.
Figura 1 – Estrutura interna de uma bomba de diafragma submersa Fonte: Lopes, 2011, pág. 32
O funcionamento é baseado na variação da força eletromagnética gerada por um eletroímã, quando
aplicada a uma corrente alternada. Dessa forma, obtém um movimento alternativo de elementos
engenhosamente articulados de modo a propiciar condições de pressões de admissões e de saída da agua
em função dos valores assumidos pela corrente elétrica no seu ciclo. A principal vantagem desta bomba é
a baixa manutenção pelo fato de não possuir elementos mecânicos rotativos.
São utilizadas para sistema de bombeamento de água limpa em cisternas, poços tubulares com diâmetros
maiores de 6 polegadas, drenagem e transferência de agua de reservatórios.
3. Análise do Projeto
A análise do projeto consiste em duas etapas. A primeira esta relacionada com a rede de tratamento que
será construída para realizar o tratamento da água da ETE e a segunda etapa envolve o sistema utilizado
para bombear a água limpa até o a caixa d’água.
3.1 Rede de Tratamento
A rede de tratamento utilizada tem base de 3.000 mm de largura e 9.000 mm de comprimento, com
espessura de concreto de 20 cm, com malha de ferro bem nivelada, concreto FCK30 20MPA
impermeabilizado. O nivelamento é muito importante, pois o tratamento realizado na ETE será todo por
gravidade. O peso do tanque e do filtro é aproximadamente 11.000 quiloO sistema de tratamento contem
canaletas de contenção com grades de aço reforçado em toda a extensão lateral da base. Estas canaletas
têm caídas para os tubos onde será realizada a ligação na rede da Copasa. As canaletas possui largura de
15 cm profundidade de inicio e 20 cm no final ate o tubo onde será ligado na Copasa, conforme pode ser
demonstrado na figura abaixo.
Figura 2 – Croqui da Base ETE.
O custo estimado informado pela empresa para realizar o tratamento da água para atender a reutilização
incluindo a obra civil esta orçada em R$ 48.000,00. Na imagem abaixo podemos observar a instalação das
unidades de tratamento após as obras serem concluídas.
Figura 3 – Instalação de uma unidade de tratamento.
3.2 Sistema de Bombeamento da água limpa para a caixa d’agua
Para realizar o dimensionamento da instalação e a escolha de uma bomba adequada para os requisitos mínimos da instalação é necessário realizar os cálculos das seguintes informações:
Altura de Recalque Perda de Carga Continua Perdas de Carga localizada NPSH
Após os cálculos é possível determinar qual bomba deverá ser utilizada e a altura mínima para realizar o bombeamento do fluido conforme a vazão necessária.
3.2.1 Cálculo da Altura de Recalque da bomba
ALTURA DE RECALQUE (Hman) -
Hman=H o+pr+ paγ
+∆H
Onde: Hman=¿ altura manométrica (m)
H o=¿ desnível geométrico (m)
pr=¿ pressão no reservatório de recalque (Kg/m2)
pa=¿ pressão no reservatório de sucção (Kg/m2)
γ=¿ peso específico do fluido (Kg/m3)
∆ H=¿perda de carga nas tubulações e acessórios (m)
Nesse caso, ambos os reservatórios estão abertos e sujeitos à pressão atmosférica, então:
pr=pa=patm
Logo:
Hman=H o+∆ H
A perda de carga na tubulação e acessórios (∆ H ) pode ser:
- Contínua: trechos retos de canalizações
- Localizada: acessórios das tubulações
3.2.2 Cálculo de Perda Continua
Segundo Darcy-Weissbach:
∆ H=f × LD×V 2
2 g
Onde: ∆ H=¿perda de carga (m)
L = comprimento do tubo (m)
D = diâmetro do tubo (m)
f = coeficiente de atrito (depende do regime do escoamento: laminar ou turbulento)
g = aceleração da gravidade (m /s2)
V = velocidade média de escoamento (m/s)
A velocidade média de escoamento é dada por:
V= 4π×Q
D2
Considere:
Demanda do Sistema (Q) = 8 m3/dia = 2,2x10−6 m3/s Diâmetro da tubulação (D) = 19mm = 0,019m
Substituindo os valores da vazão (Q) e o diâmetro (D) da tubulação na equação 2, temos:
V= 4π×
2,2 x10−6
0,0192
Logo, a velocidade do sistema de bombeamento será:
V=¿0,98 m/s
O número de Reynolds é dado por:
ℜ=V ×Dν
Onde: ν=¿viscosidade cinemática do fluido (m2/s).
D = diâmetro do tubo (m)
V = velocidade média de escoamento (m/s)
Substituindo os valores na formula de Reynolds, é possível descobrir se o escoamento será turbulento ou laminar.
ℜ=0,98×0,019
10−6=18,6×103
Conforme os cálculos realizado o escoamento será turbulento.
Sabendo que a tubulação é de aço galvanizado conforme a tabela 2, pagina 35 – Djalma.
ϵ=0,15 ϵD
= 0,008
Conforme o Ábaco de Moody, página 37 – Djalma é possível determinar o coeficiente de atrito, para este projeto o coeficiente de atrito por escoamento turbulento é:
f=¿0,039
Substituindo os valores encontrados na Equação 1, é possível determinar a perda de carga da tubulação, considerando a aceleração da gravidade igual á 9,8 m/s².
Logo,
∆ H=f × LD×V 2
2 g = 0,039×
1200,019
×0,982
2×9,8
∆ HC=1158,48
3.2.3 Cálculo da Perda de Carga Localizada
∆ H L=∑K ×V 2
2g
Onde:
K = característica do acessório
Conforme a tabela abaixo, podemos verificar os acessórios utilizados neste projeto e a característica de cada item de acordo com a Tabela 4, página 44 - Dijalma.
Tabela 1 – Lista de acessórios utilizados na instalação.
Realizando a soma da característica de todos os acessórios utilizados nesta instalação, temos:
∑K=¿ 3,6
A partir do somatório das características dos acessórios é possível calcular a perda de carga localizada da instalação de bombeamento.
∆ H L=3,6×0,982
2x 9,8 = 16,93 m
∆ H L = 16,93 metros
Logo,
∆ H=∆ HC+∆H L
∆ H=1158,48+16,93
∆ H=1175,48
Considere um desnível ¿) sendo 20 metros. O cálculo da altura manométrica é:
Hman=H o+∆ H
Hman=20+16,93
Hman=36,93
Considerando uma margem de segurança de 10%:
Hman=36,93m x 1,10
Descrição Quantidade KJoelho 4 0,4
Valvula de Gaveta 1 0,1
Valvula de Retenção 1 1,6
T 1 0,3
Acessórios Utilizados na Tubulação
Hman=40,62m
Após os cálculos é possível observar que a altura mínima para bombear um volume de 8 m³ agua por dia é de 40,6 metros, ou seja, é necessário uma bomba que tenha no mínimo esta altura para que o sistema funcione.
O projeto requer uma bomba que realize movimentação do fluido em um poço tubular. Neste caso, a bomba mais indicada para esta aplicação são as bombas submersíveis, pois sua aplicação é indicado em Estações Elevatórias de Esgoto ou Efluentes, especialmente em locais onde não seja possível a utilização de bomba horizontal do tipo re-autoescorvante, devido o espaço superior não poder ser ocupado ou quando a altura de sucção for elevada, isto é, baixo NPSH disponível.
A bomba selecionada para ser utilizada neste projeto, foi uma bomba submersa, modelo PUMP 660 marca Bombas Líder. Este tipo de bomba é utilizado em poços, cisternas ou rios para bombear agua limpa. Sua grande vantagem é o alto desempenho, atingindo grandes elevações em baixa potencia. A vazão média é de 270 á 1750 litros por hora, com uma elevação de 0 á 65 metros e tem saída ¾” e é utilizada para poços com diâmetro 6”.
Figura 4 – Bomba PUMP 660 Fonte: Bombas Lider.
Tabela 2 – Dados da Bomba PUMP 660 Fonte: Bombas Lider
4. Curva de Instalação
De acordo com os cálculos realizados a curva de instalação do sistema pode ser observado no gráfico abaixo.
5. Curva da Bomba PUMP 660
Conforme o catalogo fornecido pelo fabricante é possível construir o gráfico da bomba acordo com os cálculos realizados a curva de instalação do sistema pode ser observado no gráfico abaixo.
0 200 400 600 800 1000120014001600180020000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Curva de Instalação
Curva de Instalação
Hman (m)
Q (m³/h)
Q (m³/s) H (m)1750 79,041400 58,51150 46,63800 33,92600 28,7400 24,98270 23,36
Instalação
Se juntarmos os gráficos acima em apenas um gráfico, iremos observar o ponto de operação desde sistema. Conforme calculado anteriormente, para este sistema é necessário uma bomba que opere em uma altura manométrica de 40 metros e uma vazão de 1000 m³/hora.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Curva de Instalação x Bomba
Curva da Bomba
Curva de Instalação
Hman (m)
Q (m³/h)
Conforme é possível observar no gráfico acima, não foi possível atingir o ponto de operação necessário para sistema utilizando apenas uma bomba PUMP 660, mas também é possível observar que acrescentando mais uma bomba PUMP 660 em paralelo é possível aumentar a vazão e atingir o ponto de operação desejado, conforme pode ser visto no gráfico abaixo.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000
10
20
30
40
50
60
70
Curva da Bomba PUMP 660
Curva da Bomba
Hman (m)
Q (m³/h)
Q (m³/h) H (m)1750 01400 101150 20800 30600 40400 50270 65
Bomba
6.
Orçamento
Abaixo o orçamento do sistema de bombeamento comtemplando apenas o material da instalação.
Acessórios da TubulaçãoDescrição Quantidade Valor Unitário (R$) Total (R$)
Joelho 4 3,50 14Válvula de Gaveta 1 35,90 35,9
Válvula de Retenção 1 35,70 35,7T 1 195,18 195,18
Bomba PUMP 660 2 169,90 339,8 Tubos 3/4 120 32,00 3840
7. Esquema Elétrico de uma Bomba Submersa.
A imagem abaixo representa um esquema elétrico monofásico.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Curva de Instalação x Bomba
Curva da Bomba
Curva de Instalação
Q (m³/h)
Hm
an (m
) Ponto de Operação
Bombas em Paralelo
Q (m³/h) H (m)3500 02800 102300 201600 301200 40800 50540 65
Figura 5 – Esquema elétrico monofásico.
8. Croqui da Instalação
9. Referências
[1] FOX, Robert W.; MCDONALD, Alan T. Introdução à mecânica dos fluidos. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos, c2006. xiv, 798p.
[2] CARVALHO, Djalma Francisco. Instalações Elevatórias – Bombas. Belo Horizonte, FURMAC – IPUC, 1977, 355p.
[3] catálogo Bombas Líder. Disponível em < http://www.bombaslider.com.br/pumpeco660saia.html> Acesso em 20/11/2015.