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.