UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARING CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

VANDERLEI DE OLIVEIRA PEREIRA PORTO

SIMULAO COMPUTACIONAL DO DECANTADOR DA ESTAO DE TRATAMENTO DE GUA DE MARING

MARING 2010

VANDERLEI DE OLIVEIRA PEREIRA PORTO

SIMULAO COMPUTACIONAL DO DECANTADOR DA ESTAO DE TRATAMENTO DE GUA DE MARING

Monografia requisitos

apresentada necessrios

como para

parte

dos no

aprovao

componente curricular Trabalho de Concluso do Curso de Engenharia Civil.

Orientador: Prof. Dr. Sandro Rogrio Lautenschlager

MARING 2010

VANDERLEI DE OLIVEIRA PEREIRA PORTO

SIMULAO COMPUTACIONAL DO DECANTADOR DA ESTAO DE TRATAMENTO DE GUA DE MARING

Monografia requisitos

apresentada necessrios

como para

parte

dos no

aprovao

componente curricular Trabalho de Concluso do Curso de Engenharia Civil.

Aprovada em ____/_____/_______

BANCA EXAMINADORA

_____________________________________________________ Prof. Dr. Sandro Rogrio Lautenschlager (Orientador)

_____________________________________________________ Prof. Dra. Cristhiane Michiko P. Okawa (Membro 1)

_____________________________________________________ Prof. Dr. Ed Pinheiro Lima (Membro 2)

minha famlia.

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, Vera Lcia e Vanderlei, e minha irm, Marina, por todo o carinho e apoio para cumprir mais essa etapa da minha vida. Ao Prof. Dr. Sandro Rogrio Lautenschlager por toda a ajuda durante o perodo de graduao e para a realizao desse trabalho. minha famlia, pelo apoio e incentivo. Aos meus amigos, por estarem juntos em todos os momentos e sempre terem uma mo estendida para ajudar. A todos os colegas do curso pela amizade e apoio que sempre manifestaram durante a convivncia ao longo destes anos. Aos professores do DEC que fizeram parte da minha graduao, me dando importante lies, no s para a vida profissional. Ao engenheiro Alinor Rodrigues Jnior da SANEPAR, que prestou uma ajuda valiosa e foi sempre muito solicito. Ao corao das cartas. Universidade Estadual de Maring.

Sabe o que estranho? Dia aps dia nada parece mudar, mas quando nos damos conta tudo est completamente diferente. Calvin

RESUMOO aumento no consumo de gua e os novos padres de potabilidade que surgem ao longo do tempo criam a necessidade de melhorias nos sistemas de tratamento de gua ou a construo de novas estaes de tratamento de gua, assim equipamentos mais eficientes e melhorias nos equipamentos existentes devem ser considerados neste cenrio. Nos ltimos anos, a capacidade dos computadores e os modelos de simulao computacional fluidodinmicos avanaram de forma significativa. Esse trabalho apresenta o resultado da simulao do fluxo de gua de um decantador da estao de tratamento de gua da Sanepar em Maring - PR. Foi utilizado o software COMSOL Multiphysics 4.0 e os equipamentos de medio de velocidade FlowTracker e ADCP Rio Grande. Os resultados gerados foram grficos bidimensionais de velocidade e de linhas de fluxo. Os mesmos mostraram que no interior do decantador do mdulo 300 da Sanepar podemos encontrar velocidades que variam entre 0,001 e 0,01 m/s, que proporcionam a sedimentao.

Palavras-chave: fluxo em decantador, CFD, ETA, simulao computacional.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 3. 1 ESQUEMA DE DECANTADOR DE PLACAS PARALELAS INCLINADAS ......................15 FIGURA 4. 1 INTERFACE DO SOFTWARE COMSOL MULTIPHYSICS .......................................19 FIGURA 4. 2 GEOMETRIA DO DECANTADOR ............................................................................21 FIGURA 4. 3 - DECANTADOR DA ETA DE MARING EM PLANTA ...............................................22 FIGURA 4. 4 - CORTE DO DECANTADOR DA ETA DE MARING .................................................23 FIGURA 4. 5 - CORTE DO DECANTADOR DA ETA DE MARING .................................................23 FIGURA 4. 6 - CORTE DO DECANTADOR DA ETA DE MARING .................................................24 FIGURA 4. 7 DECANTADOR VAZIO E CHEIO DA ETA DE MARING .........................................24 FIGURA 4. 8 FLOWTRACKER APARELHO USADO PARA MEDIR VELOCIDADE ........................25 FIGURA 4. 9 ADCP - APARELHO USADO PARA MEDIR VELOCIDADE .......................................26 FIGURA 4. 10 SEO DO CANAL E PONTOS DE LEITURA ..........................................................26 FIGURA 4. 11 POSICIONAMENTO DO ADCP NO DECANTADOR ................................................27 FIGURA 5. 1 EXEMPLO DE MODELAGEM USANDO COMSOL ..................................................28 FIGURA 5. 2 MALHA TETRADRICA ........................................................................................29 FIGURA 5. 3 VELOCIDADE NA SUPERFCIE ..............................................................................29 FIGURA 5. 4 LINHAS DE CORRENTE ........................................................................................30 FIGURA 5. 5 VETORES DE VELOCIDADE ..................................................................................30 FIGURA 5. 6 CANAL COM OBSTRUO NO MEIO .....................................................................31 FIGURA 5. 7 - MALHA TETRADRICA .........................................................................................32 FIGURA 5. 8 VISUALIZAO DA VELOCIDADE EM CORTES ......................................................32 FIGURA 5. 9 - LINHAS DE CORRENTE .........................................................................................33 FIGURA 5. 10 DECANTADOR ...................................................................................................33 FIGURA 5. 11 MALHA TETRADRICA ADOTADA ......................................................................34 FIGURA 5. 12 CORTES NO PLANO YZ .....................................................................................35 FIGURA 5. 13 CORTES NO PLANO XY.....................................................................................35 FIGURA 5. 14 CORTES NO PLANO XZ .....................................................................................36 FIGURA 5. 15 LINHAS DE VELOCIDADE ..................................................................................36 FIGURA 5. 16 LINHAS DE VELOCIDADE NO PLANO YZ ...........................................................37

SUMRIO

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Introduo...............................................................................................................10 1.1 Objetivos..........................................................................................................11

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Reviso de literatura...............................................................................................12 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 Consumo de gua no brasil..............................................................................12 Origem e qualidade da gua ............................................................................12 Tratamento de gua .........................................................................................13 Mistura Rpida ................................................................................................13 Floculao........................................................................................................14 Decantao ......................................................................................................14 Filtrao ...........................................................................................................16 Desinfeco .....................................................................................................16 Equipamento acstico Doppler........................................................................16 Dinmica dOS fluidos computacional...........................................................17

3

Material e mtodos .................................................................................................19 3.1 3.2 3.3 Software de simulao.....................................................................................19 Estao de Tratamento de gua ......................................................................22 equipamentos para determinao de velocidade .............................................25

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resultados e discusses ...........................................................................................28 4.1 4.2 4.3 4.4 treinamento no comsol 4.0 com Modelos Bidimensional e Tridimensional ...28 Modelo Computacional do Decantador...........................................................33 Medio da Velocidades..................................................................................37 Medio da Velocidade no Decantador da ETA .............................................38

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Concluso ...............................................................................................................39

Referncias ...................................................................................................................40 APNDICE...................................................................................................................44

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1 INTRODUOA gua uma necessidade para os diversos segmentos, seja ela industrial, agrcola, domstico, comercial ou pblico. Esta gua deve obedecer a um padro, como o padro de potabilidade estabelecido pelo Ministrio da Sade. Para que a gua atenda a esse padro ela pode ter que ser tratada, seja a gua de uma fonte subterrnea ou superficial ou de outras fontes. Para guas subterrneas, a simples desinfeco pode j ser suficiente para o consumo. Mas, segundo Bernardo (2003), a legislao brasileira que regula o padro de potabilidade no admite mais a simples desinfeco para guas superficiais. Esse fato torna as estaes de tratamento de gua cada vez mais importantes na infra-estrutura da sociedade. O abastecimento de gua tem sua importncia tanto no aspecto econmico, com seu uso industrial, comercial e na agricultura, quanto no aspecto sanitrio com a finalidade da preveno de doenas. Segundo a Organizao Mundial da Sade (ano? apud CETESB, 1973, p.164) aproximadamente um quarto dos leitos de hospitais no mundo so ocupados por enfermos, cujas doenas so originarias da m qualidade da gua consumida. A melhoria das condies de saneamento est associada ao aumento da expectativa de vida e diminuio da mortalidade infantil (BERNARDO, 2003), como visto no Quadro 1.1. Quadro 1.1 Servios de saneamento X indicadores sociais mnimos Fonte: IBGE (1998)

Mesmo com quase a totalidade da populao urbana tendo acesso a gua tratada ainda existe a necessidade de se criar novas estaes de tratamento de gua e de melhorar o desempenho das j existentes, uma vez que muitas das ETAs existentes so antigas, estando prximas da sua capacidade mxima de tratamento, e, num futuro prximo, necessitarem de uma remodelao. A simulao computacional pode auxiliar os profissionais responsveis na ampliao da capacidade de tratamento dessas ETAs, j que atualmente, os softwares de

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Dinmica dos Fluidos Computacional (DFC) permitem o dimensionamento de processos de tratamento de gua, levando-se em conta o comportamento hidrulico real desses processos (CRAIG, 2002 apud SALGADO, 2006, p.29). Como o DFC possui, segundo Vianna (2009), menores custos em relao a anlises experimentais e menor tempo de simulao, ele auxiliaria numa perfeita compreenso de como funciona os equipamentos que fazem parte do tratamento de gua. O uso apropriado das tcnicas de simulao podem auxiliar na preveno de padres hidrulicos de escoamento indesejveis tais como curtos-circuitos e zonas mortas, que afetam consideravelmente o desempenho de tais equipamentos de tratamento (BALO et al., 2001 apud SALGADO, 2006, p.30). Embora a simulao computacional venha se tornando parte essencial da cincia e engenharia, Bortoli (2000) afirma que no existe no Brasil muita bibliografia. Alm disso, Salgado (2006) diz que especificamente sobre o tema de tratamento de gua os trabalhos existentes na literatura so quase inexistentes, mesmo com o emprego de modelos numricos em projetos e na avaliao do desempenho hidrodinmico de unidades de tratamento de gua e de efluentes estar se tornando cada vez mais freqente nos demais pases. Assim, torna-se necessrio o desenvolvimento de pesquisas e trabalhos tcnicos que envolvam o uso de modelos numricos na simulao dos processos unitrios presentes nas estaes de tratamento de gua. 1.1 OBJETIVOS Simular o comportamento do fluido em um decantador real e especfico, por meio de um software de simulao computacional. Para alcanar este objetivo, as seguintes metas foram estabelecidas: Meta 1 Aprender a manusear o software de simulao multifsica COMSOL; Meta 2 Obter a geometria do decantador real a ser simulado; Meta 3 Utilizar o software COMSOL para simular o decantador; Meta 4 Comparar o decantador simulado com o real, para validar o modelo.

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2 REVISO DE LITERATURA2.1 CONSUMO DE GUA NO BRASIL Segundo Gonalves (2006), no Brasil, dos 2.178 m3/s que representavam a demanda total de gua no pas, em 2003, 56% da gua eram utilizados na agricultura (irrigao), 21% para fins urbanos, 12% para a indstria, 6% no consumo rural e 6% para dessedentao de animais. No que se refere distribuio de consumo de gua por bacia hidrogrfica no Brasil, observa-se que, no ano de 2000, o maior consumo ocorreu na bacia do Paran , onde concentra-se grande parte da populao do pas. Apesar do servio de abastecimento de gua apresentar atendimento superior a 58% em todas as regies do pas, esses resultados devem ser analisados cuidadosamente, uma vez que a qualidade de gua muitas vezes no levada em conta. Distritos abastecidos por guas tratadas de maneira precria,que no atendem ao padro de potabilidade especificado pela legislao, ou abastecidos por gua que no recebem qualquer tipo de tratamento so includos no percentual de atendimentos (BERNARDO, 2003). 2.2 ORIGEM E QUALIDADE DA GUA A Fundao Servio Especial de Sade Pblica (1965), diz que as captaes de gua so baseadas em mananciais subterrneos e mananciais superficiais. E que as nossas captaes de guas superficiais so feitas em crregos ou rios, cujos regimes conduzem a grandes mudanas na qualidade da gua, mormente nas estaes do ano de maiores precipitaes atmosfricas. A gua no seu estado de pureza total no existe; deve-se imagin-la como uma substncia que se manifesta sob a forma de numerosas disperses aquosas, de composio muito varivel, que lhe conferem em conseqncia, caractersticas que nem sempre so aquelas que representam a condio desejada (BATALHA, 1977). Segundo Richter e Neto (2003), a gua , ao contrario do que muitos pensam, uma substncia muito complexa. Por ser um excelente solvente, at hoje ningum pde v-la em estado de absoluta pureza. Quimicamente, sabe-se que, mesmo sem impurezas, a gua uma mistura de 33 substncias distintas.

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De acordo com Germain (1972), as guas, tanto de poos, fontes e de superfcie contm gases dissolvidos (retirados da atmosfera), e compostos minerais (relacionados a constituio geolgica dos terrenos atravessados). Em especial as guas superficiais ainda contm substancias orgnicas solveis, provenientes da decomposio de matrias vegetais ou trazidas pelos esgotos que so lanados nos rios provenientes da indstria e do uso domstico, e partculas minerais ou orgnicas em suspenso. 2.3 TRATAMENTO DE GUA O tratamento de guas de abastecimento pblico originou-se na Esccia, onde John Gibb construiu o primeiro filtro lento. E a filtrao rpida foi iniciada na instalao pioneira no mundo, construda na cidade de Campos, Rio de Janeiro (RICHTER, NETO, 2003). De acordo com Bernardo et al (2003), o tratamento de guas de abastecimento pode ser definido como o conjunto de processos e operaes realizadas com a finalidade de adequar as caractersticas fsico-qumicas e biolgicas da gua bruta como encontrada no curso de gua, com padro organolepticamente agradvel e que no oferea riscos sade humana. A CETESB (1973) diz que a finalidade fundamental do tratamento de gua melhorar a qualidade da gua natural sob trs aspectos: do ponto de vista sanitrio, com a remoo de bactrias, protozorios e outros organismos, substncias venenosas e teor excessivo de compostos orgnicos; do ponto de vista esttico, por meio da remoo da cor, sabor, turbidez e odor; e do ponto de vista econmico, pela reduo de corrosividade, dureza, ferro etc. O tratamento de gua pode ser avanado, no caso de um padro baixo de qualidade na fonte, ou clssico, que o pretervel por ser mais simples e de menor custo. De acordo com a Fundao Servio Especial de Sade Pblica (1965), o processo clssico para tratamento de guas superficiais compreende seis etapas: mistura rpida, floculao (onde atuam os produtos qumicos), decantao (com adio prvia de coagulantes), filtrao direta (por meio de filtros rpidos de areia), desinfeco e correo final do pH. 2.4 MISTURA RPIDA Segundo a NBR 12216, a operao de mistura rpida destinada a dispersar produtos qumicos na gua a ser tratada, em particular no processo de coagulao, para o qual so destinadas. Constituem dispositivos de mistura: qualquer trecho ou seo de canal ou de canalizao que produza perda de carga compatvel com as condies desejadas, em termos

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de gradiente de velocidade e tempo de mistura; difusores que produzam jatos da soluo de coagulante, aplicados no interior da gua a ser tratada; agitadores mecanizados e entrada de bombas centrfugas. Podem ser utilizados como dispositivo hidrulico de mistura qualquer singularidade onde ocorra turbulncia intensa, canal ou canalizao com anteparos ou chicanas e ressalto hidrulico. 2.5 FLOCULAO No caso da floculao, temos que a princpio introduz-se na gua a tratar um reagente que forme um floco sobre o qual se adsorvam as partculas minerais e orgnicas em suspenso e, mesmo em certos casos, grandes molculas orgnicas dissolvidas. Os equipamentos do floculador podem ser descritos como um dispositivo de dosagem do floculante e de um dispositivo de mistura do floculante gua em bruto (GERMAIN, 1972). 2.6 DECANTAO Segundo a Fundao Servio Especial de Sade Pblica (1965), a decantao o processo pelo qual se verifica, pela ao da gravidade, a deposio das matrias em suspenso. Quando no tratamento da gua, utiliza-se do processo da coagulao, nos decantadores que ficaro depositados os flocos formados; a remoo obtida graas reduzida velocidade da gua nos decantadores, a ponto de ocorrer a deposio das partculas. Naturalmente, todas as impurezas depositam-se no fundo dos decantadores, constituindo um lodo. O operao adequada do decantador requer que este lodo seja retirado para no interferirem no funcionamento normal do decantador. Silva (2008) classifica os decantadores entre clssicos e tubulares. Os clssicos so aqueles com seo retangular ou seo circular sem nenhum enchimento. Os tubulares so aqueles com placas ou tubos no seu interior, com objetivo de aumentar a rea de decantao. Silva (2008) tambm diz que em relao a performance do decantador, esse deve alcanar uma remoo de matrias em suspenso de 90%, e deve tambm remover a cor verdadeira da gua em 90%. O comportamento hidrulico dos decantadores, ao proporcionar as condies adequadas sedimentao, pode ser analisado a partir da teoria de Hanzen (1904), que admite: regime de fluxo laminar na zona de sedimentao; fluxo perfeitamente uniforme na

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zona de sedimentao; a concentrao de partculas uniforme e que no h resuspenso de slidos j sedimentados (RICHTER E NETO, 2003). Segundo a SANEAGO (2006), em um decantador laminar tpico, de placas paralelas inclinadas, a gua floculada introduzida sob as placas. Ao escoar entre elas, ocorre a sedimentao dos flocos. A gua decantada sai pela parte de cima do decantador aps haver escoado entre as placas paralelas, e coletado por placas coletoras. A figura 3.1 ilustra um decantador de placas paralelas inclinadas.

Figura 3. 1 Esquema de decantador de placas paralelas inclinadas Fonte: Richter e Neto (2003) Richter e Neto (2003) dizem que a auto-limpeza do decantador se realiza dando-se uma inclinao adequada s placas, usualmente entre 50 e 60, para que o lodo escoe continuamente. Para ngulos maiores que 60, a eficincia dessas unidades decresce rapidamente, enquanto que a ngulos menores que 50 o lodo no escorre facilmente para o fundo do decantador. A entrada da gua nos decantadores geralmente feita atravs de canais ou canalizaes com passagens ou comportas laterais, distribuindo o fluxo no interior de uma dada unidade ou diversas unidades paralelas. Como dispositivos de sada, canais ou canalizaes coletoras podem ser utilizados, tanto para coleta de gua decantada, como para remoo de lodo (RICHTER E NETO, 2003).

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2.7 FILTRAO A filtrao tem por objetivo reter sobre um suporte as matrias minerais ou orgnicas em suspenso, trazidas pela gua bruta ou resultante de um tratamento prvio. O escoamento da gua , conforme o caso, gravitacional ou sob presso. A reteno das matrias em suspenso pelo meio filtrante conduz a uma colmatao progressiva, com diminuio da velocidade de filtrao ou aumento progressivo da perda de carga. Procede-se periodicamente a uma limpeza por retrolavagem e, se possvel, com injeo de ar comprimido (GERMAIN, 1972). 2.8 DESINFECO Segundo a CETESB (1973), nenhum dos processos de purificao da gua pode ser considerado eficiente na remoo total das bactrias existentes na gua. H tambm a possibilidade da gua vir a ser contaminada ao passar atravs dos encanamentos antes de chegar ao consumidor, ou mesmo nas residncias e edifcios em geral. Por isso, h a necessidade de se desinfetar a gua ao sair da estao de tratamento. Por essa razo, o processo final do tratamento, que precede a reservao e a distribuio a desinfeco, geralmente feito com cloro, mas no sendo este o nico meio de desinfeco. Pode ser utilizado como meios alternativos de desinfeco produtos qumicos como o hipoclorito de sdio ou clcio, o oznio, o dixido de cloro entre outros. Existem tambm agentes fsicos como a radiao ultravioleta e lmpadas germicidas. 2.9 EQUIPAMENTO ACSTICO DOPPLER O ADCP - Acoustic Doppler Current Profiler, ou Correntmetro Acstico de Efeito Doppler, um aparelho utilizado para medir a vazo dos cursos dgua por meio do efeito Doppler. Ele tambm pode ser utilizado para medir o seu movimento com relao ao fundo do rio e a distribuio dos sedimentos em suspenso na seo de medio (SANTOS et al, 1999). Segundo Gamaro (2006), o funcionamento bsico do ADCP consiste em emitir pulsos acsticos ao longo de feixes estreitos em uma freqncia conhecida. A diferena da freqncia dos sons emitidos e refletidos proporcional velocidade relativa entre o aparelho e as partculas imersas na gua.

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O manual do FlowTracker apresenta o ADV Acoustic Doppler Velocimeter como uma tecnologia da SonTek/YSI, que usa o efeito Doppler e tem por vantagens fazer medidas em 2D e 3D, ter alta preciso para altas e baixas vazes e no necessitar de calibragem. O FlowTracker trabalha emitindo um pulso curto de som em uma freqncia conhecida, pulso esse que passa atravs do volume e refletido em todas as direes. Os receptores acsticos captam esse sinal refletido e, por fim, o aparelho mede a frequncia para cada receptor. 2.10 DINMICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL A simulao numrica computacional dos mais diversos efeitos da natureza desenvolveu-se nesta primeira dcada do terceiro milnio seguindo a evoluo da computao e atraindo cada vez mais o interesse da indstria. Resultados precisos de problemas complexos so, agora, fornecidos tambm por mtodos numricos computacionais, desenvolvidos em institutos de pesquisa estatais ou por empresas privadas especializadas (LOVATTO, 2009). Segundo Del Frari e Pedroso (2009), a Fluidodinmica Computacional uma rea de grande interesse comercial e acadmico para soluo de problemas de aerodinmica, termodinmica, hidrulica, entre outros. As pesquisas nesta rea podem ser desenvolvidas com base em experimentos em laboratrios, bem como simulaes numricas pelo uso de computadores baseado em modelos matemticos. De acordo com Bortoli (2000), a soluo numrica de problemas de escoamento desempenha um papel cada vez mais importante no processo de projetos de corpos submetidos a escoamentos. O uso de tcnicas para a soluo de complexos problemas de engenharia e da fsica hoje uma realidade graas ao desenvolvimento de computadores de alta velocidade e grande capacidade de armazenamento. Por esse motivo, o desenvolvimento de algoritmos para solucionar os mais diversos problemas de engenharia vem recebendo grande ateno dos analistas numricos. As vantagens de se usar o CFD so: a complementao da fluidodinmica terica e experimental, a simulao real de escoamento com baixo custo, o fato do CFD fornecer informaes mais detalhadas e a maior efetividade e menor custo que testes em tneis de vento. J as limitaes do CFD so: sua dificuldade com modelos fsicos (CC - condies de contorno, CI - condies iniciais, fluido no newtoniano e turbulncia), modelos geomtricos (detalhamento e robustez) e modelos numricos (convergncia, estabilidade e resoluo numrica) (FONTES, SILVA, RODRIGUES, 2005).

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A soluo de um sistema de equaes diferenciais pode ser geralmente simplificada por meio do emprego de uma malha bem construda. O processo de gerao de malhas determina o mapeamento que transforma os pontos da malha do domnio fsico no domnio transformado. Uma deciso importante a ser tomada no desenvolvimento de um modelo numrico a natureza da malha. As malhas podero ser de natureza estruturada e no estruturada. Uma malha no estruturada (com diferentes tipos de elementos) aquela para a qual no h uma regra aparente de formao. As principais vantagens de uma malha estruturada so: a conexo entre os pontos estabelecida por uma regra, facilidade de implementao computacional e soluo dos sistemas lineares facilitada. Dentre as vantagens da malha no estruturada podem ser citadas: a facilidade de concentrao nas regies desejadas e o menor numero de volumes no domnio, enquanto que sua desvantagem a complexidade elevada de se criar tal malha (BORTOLI, 2000).

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3 MATERIAL E MTODOS3.1 SOFTWARE DE SIMULAO O COMSOL Multiphysics um software que utiliza a tcnica de elementos finitos para resolver as equaes diferencias parciais que descrevem vrios problemas fsicos. O COMSOL definido pelo seu prprio manual como uma plataforma flexvel que permite que usurios iniciantes possam modelar todos os aspectos fsicos de seus projetos. Usurios avanados possam usar seus conhecimentos para desenvolver solues customizadas para situaes nicas. Neste trabalho utilizou-se o software de simulao COMSOL Multiphysics, na sua verso 4.0, para simular o escoamento de fluxo atravs de um dos decantadores da estao de tratamento de gua de Maring. A figura 4.1 apresenta a interface inicial do software.

Figura 4. 1 Interface do software COMSOL Multiphysics Fonte: COMSOL Para criar um modelo no software, podem ser adotados os seguintes passos: 1. Escolhe-se em quantas dimenses deseja-se fazer a simulao;

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2. Seleciona-se o fenmeno fsico envolvido na simulao. Pode-se escolher apenas um fenmeno fsico como escoamento ao redor de um edifcio ou problemas de interao fluido estrutura simulando o escoamento e a deformao da estrutura; 3. Escolhe-se o regime do estudo, sendo estacionrio ou dependente do tempo; 4. Cria-se a geometria do objeto a ser simulado, que pode ser desenvolvida na prpria interface do COMSOL ou importe-se a geometria de outros softwares CAD; 5. Define-se o material da geometria de duas formas distintas: pode-se escolher o material em uma biblioteca de materiais existente no prprio COMSOL e informar as caractersticas necessrias simulao; 6. Definem-se as condies de contorno; 7. Cria-se uma malha de clculo para o problema. Pode-se escolher entre malhas pr-definidas, com varias opes de refinamento, dependendo da preciso desejada ou da complexidade da geometria. Pode-se customizar os elementos da malha, ou ainda uma terceira opo, que importar uma malha; 8. Executa-se a simulao e escolhem-se os tipos de visualizaes de resultados que se deseja. O decantador da ETA de Maring foi modelado na prpria interface CAD do COMSOL, utilizou-se o ambiente de desenho tridimensional. Como o decantador composto por duas cmaras de iguais dimenses, com simetria no plano XZ (cortando o canal de gua floculada e o canal de gua decantada), optou-se pela modelagem de apenas uma parte da geometria considerando que o comportamento do fluido o mesmo nas duas cmaras do aparelho, reduzindo assim o tempo de processamento do problema. A geometria criada foi feita tendo por base os projetos da ETA de Maring e medies feitas no local. O sistema de descarga de lodo e a lonas inclinadas no foram considerado na modelagem do decantador. A geometria do decantador foi criada partir de slidos trapezoidais que resultaram nas partes estruturais que constituem o interior do aparelho. Nesses slidos, foram realizadas operaes de remoo e adio de blocos com objetivo de criar as formas constituintes da geometria. Bloco esse que representa a parte do decantador ocupada pela gua, como visto na Figura 4.2.

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Figura 4. 2 Geometria do decantador Fonte: Autor (2010) Segundo a teoria de Hanzen (1904), na zona de sedimentao o escoamento laminar. Assim, adotou-se para a soluo desse problema escoamento laminar de uma fase Em relao s paredes do decantador, as da parte superior foram definidas como paredes escorregadias, com o objetivo de aproximar-se da condio de superfcie livre. A parede que corta o canal de gua floculada, esta no plano XZ com y = 3,05, foi definida como simtrica e as demais paredes foram definidas como parede escorregadia. Para a entrada de gua foi definida uma velocidade de 0,1875 m/s e para as sadas presso de 0 Pa. A velocidade de entrada, foi calculada levando-se em conta a capacidade de tratamento do modulo estudado, que o mdulo 300. Este mdulo tem capacidade para um tratamento de 300 L/s, como a gua floculada se divide em dois decantadores, temos uma vazo de 150 L/s em cada decantador. Levando-se em conta a geometria da entrada da gua floculada, 0,80 m X 1,00 m, temos uma rea de entrada de 0,80 m2, assim a gua floculada entra no decantador a uma velocidade de 0,1875 m/s. Adotou-se uma malha tetradrica, de tamanho super fino. O decantador com a malha adotada apresentado na (Figura 5.11). desprezando os slidos presentes no fluido simulado.

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3.2 ESTAO DE TRATAMENTO DE GUA A ETA de Maring possui atualmente uma capacidade de tratamento de 980 L/s, porm passa por reformas para ampliar sua capacidade de tratamento. Ela fornece 89% da gua tratada do municpio (os outros 11% provm de poos), abastecendo cerca de 87.206 ligaes (de um total de 102.636), entre domiciliares, comerciais, industriais e pblicas. Sua instalao foi no ano de 1964, j tendo passado por reformas na dcada de 90. Conta com medidores de vazo na entrada e sada, misturador rpido, floculadores chicanados, floculadores mecanizados, decantadores de fluxo ascensional, filtros, casa de clorao, reservatrios de gua semi-enterrados e elevado e equipamentos de bombeamento. Para manter o funcionamento da estao de tratamento de gua a SANEPAR de Maring conta com um total e 10 funcionrios que trabalham diretamente na produo da gua. A figura 4.3 apresenta a planta do decantador da ETA simulado, a figura 4.4 mostra um corte passando pelos canais centrais, de distribuio de gua, tanto decantada como floculada e tambm pelo canal de descarga de lodo. O corte que apresenta a cmara onde ocorre a decantao pode ser visto na figura 4.5. Enquanto na figura 4.6 apresentado um corte que contempla tanto as cmaras de decantao quanto os canais.

Figura 4. 3 - Decantador da ETA de Maring em planta Fonte: Sanepar

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Figura 4. 4 - Corte do decantador da ETA de Maring Fonte: Sanepar

Figura 4. 5 - Corte do decantador da ETA de Maring Fonte: Sanepar

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Figura 4. 6 - Corte do decantador da ETA de Maring Fonte: Sanepar

Figura 4. 7 Decantador vazio e cheio da ETA de Maring Fonte: Autor (2010)

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3.3 EQUIPAMENTOS PARA DETERMINAO DE VELOCIDADE Para realizar as medidas de velocidade no decantador real foi utilizado o ADCP Rio Grande (Acoustic Doppler Current Profiler) (Figura 4.9) e o FlowTracker (que usa o mtodo Acoustic Doppler Velocimeter (ADV)) (Figura 4.8). Ambos so equipamentos de medio de velocidade que fazem uso do efeito Doppler. Tanto o ADCP quanto o FlowTracker medem a velocidade pela mudana na freqncia do som refletido nas partculas de gua.

Figura 4. 8 FlowTracker Aparelho usado para medir velocidade Fonte: Autor (2010)

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Figura 4. 9 ADCP - Aparelho usado para medir velocidade Fonte: Autor (2010) A fim de obter dados de velocidade e vazo da ETA, escolheu-se, no canal de entrada da ETA, seis pontos de interesse para a medida de velocidade. Esse pontos foram nomeados como pontos 1, 2, 3, 4, 5 e 6 (Figura 4.10). Para cada um dos seis pontos foram feitas duas medidas de velocidade com o FlowTracker.

Figura 4. 10 Seo do canal e pontos de leitura Fonte: Autor (2010)

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O ponto 1 e 4 ficam a 25 cm da borda do canal. No ponto 1 a medida foi feita a 50 cm da lamina dgua. No ponto 4 a profundidade de 70 cm abaixo da lmina dgua. O ponto 2 e 5 ficam a 50 cm da borda, no ponto 2 a profundidade de 70 cm abaixo da lmina dgua, enquanto que no 5 de 70 cm. Os pontos 3 e 6 , esto a 75 cm da borda e de forma anloga aos outros pontos esto localizados a 50 e 70 cm respectivamente da lmina dgua. O ADCP foi posicionado no centro de uma seo transversal do canal de entrada. A profundidade de instalao do aparelho foi de 10 cm, definindo assim o limite superior de medida para velocidade. Como o fluxo no decantador ascensional e depois segue em direo s calhas, foram consideradas linhas de correntes horizontais que seguiam prximas superfcie para as sadas, em direes opostas, a partir do centro das cmaras. Cmaras estas que foram consideradas como o espao delimitado entre uma canaleta e outra. O ACDP, acoplado a um pequeno barco, foi posicionado a 0,50m da calha e a 0,60m da borda do decantador. Esse procedimento foi repetido para as demais cmaras do decantador.

Figura 4. 11 Posicionamento do ADCP no decantador Fonte: Autor (2010)

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4 RESULTADOS E DISCUSSES4.1 TREINAMENTO NO COMSOL 4.0 COM MODELOS BIDIMENSIONAL E TRIDIMENSIONAL Para o desenvolvimento de um modelo de escoamento em 2D, foram feitos problemas do tutorial do programa e diversos modelos simples, como o demonstrado a seguir. Este modelo um conduto com uma entrada de fluxo com largura de 1 metro, e duas sadas com largura de 0,25 metros cada, conforme ilustrado na figura 5.1. Sendo a entrada a linha em vermelho e as duas sadas estando representadas pelas linhas em azul. Este modelo composto de gua em regime laminar.

Figura 5. 1 Exemplo de modelagem usando COMSOL

Para a entrada, adotou-se velocidade igual 1 m/s e para sada definiu-se presso 0 Pascal, gerou-se um malha tetradrica a qual ilustrada na figura 5.2.

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Figura 5. 2 Malha tetradrica

A figura 5.3 apresenta a distribuio de velocidade na regio modelada e figura 5.4 apresenta as linhas de corrente e a figura 5.5 apresenta os vetores de velocidade para regio modelada.

Figura 5. 3 Velocidade na superfcie

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Figura 5. 4 Linhas de corrente

Figura 5. 5 Vetores de velocidade

Verifica-se nestes resultados que na entrada a velocidade de aproximadamente 1 m/s, e, nas sadas, a velocidade se aproxima de 2 m/s, aproximao razovel da soluo analtica para a conservao de massa no conduto.

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O modelo 3D trata-se de um canal (Figura 5.6) com entrada e sada de mesma rea e aberto no topo. O canal apresenta as seguintes dimenses: 2 metros de largura, por 1 metro de altura e 5 metros de comprimento. No seu interior, posicionou-se no meio (em relao ao eixo Y) uma obstruo ao fluxo de 0,5 x 0,5 metros e com mesma altura do canal. Para construo do modelo digital criou-se um bloco maior (canal) e um outro bloco menor (obstruo), posicionado no ponto X = 2 e Y = 0,75. Posteriormente pela operao de subtrao de formas retirou-se o bloco menor do bloco maior. Definiu-se o fluido como gua, que tem seus parmetros pr-definidos no COMSOL e adotou-se velocidade na entrada de 10 m/s, e sada presso de 0 Pa.

Figura 5. 6 Canal com obstruo no meio

A malha escolhida foi uma malha tetradrica livre com o tamanho dos elementos definidos como extra fina. A figura 5.7 apresenta o modelo do canal com a malha adotada.

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Figura 5. 7 - Malha tetradrica

A figura 5.8 apresenta os valores de distribuio de velocidade em trs planos paralelos. J a figura 5.9 representa as linhas de corrente do fluido e ao mesmo tempo a velocidade, atravs de um gradiente de cor.

Figura 5. 8 Visualizao da velocidade em cortes

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Figura 5. 9 - Linhas de corrente

4.2 MODELO COMPUTACIONAL DO DECANTADOR A figura 5.10 apresenta a metade da geometria do decantador da ETA de Maring, que foi ensaiada atravs do COMSOL. A figura 5.11 representa a malha computacional adotada, que neste caso foi uma malha tetradrica, com elementos de tamanho super fino.

Figura 5. 10 Decantador

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Figura 5. 11 Malha tetradrica adotada

As figuras 5.12, 5.13 e 5.14 dividem o decantador em fatias (cortes), nos quais a velocidade representada pelo gradiente de cores do espectro visvel . Atravs desses cortes, verifica-se que na entrada do decantador apresenta velocidades na ordem de 0,19 m/s, no canal de gua floculada possumos velocidades de 0,13 m/s no incio do canal e de 0,02 m/s no final do canal. Na primeira passagem do canal para a cmara do decantador temos uma velocidade de 0,25 m/s, enquanto na ltima a velocidade de 0,07 m/s. No interior do canal temos velocidades que vo de 0,001 m/s a 0,01 m/s. J nas calhas de sada de gua decantada temos uma velocidade na entrada da calha da ordem de 0,015 m/s nas regies prximas s bordas, enquanto que nas reas centrais, a velocidade em torno de 0,025 m/s.

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Figura 5. 12 Cortes no Plano YZ

Figura 5. 13 Cortes no Plano XY

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Figura 5. 14 Cortes no Plano XZ

Nas figuras 5.15 e 5.16 pode-se ver as linhas de velocidade com um gradiente de cor, que representa a velocidade. A viso na figura 5.15 tridimensional, e pode-se ver o comportamento do fluxo por todo o decantador, enquanto que a figura 5.16 proporciona uma viso bidimensional no plano YZ, que torna mais fcil de se ver como as placa de madeira conduz o fluido para o fundo da cmara, para depois o mesmo tomar um rumo ascensional, em direo s calhas de sada.

Figura 5. 15 Linhas de Velocidade

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Figura 5. 16 Linhas de Velocidade no Plano YZ

4.3 MEDIO DA VELOCIDADES A velocidade obtida com o FlowTracker para o canal de entrada de gua da ETA foi de 0,7712 m/s para o eixo com maior velocidade, o que corresponde a uma vazo de 0,8502 m3/s (conforme clculos utilizando a equao 5.1). Os medidores da estao, entretanto, mostravam que a vazo era de 0,9800 m3/s. Essa diferena de 15,3% (conforme clculos utilizando a equao 5.2) pode ser devido ao ponto de amostragem no canal onde as medidas foram realizadas. Nesse ponto verifica-se certa turbulncia causada por uma curva no canal, que tem por objetivo melhorar a mistura do Policloreto de Alumnio (PAC). (5.1)

(5.2)

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A velocidade obtida para o canal com uso do ADCP foi de 0,9800 m/s, o que corresponde a uma vazo de 1,0805 m3/s (conforme clculos utilizando a equao 5.1), este valor de vazo -9,3% (conforme clculos utilizando a equao 5.2) menor do que o obtido pelo medidor de vazo instalado no conduto forado na entrada da ETA. Supe-se que esta diferena pode ser explicada pela proximidade do ADCP com as bordas do canal. Recomenda-se que esse tipo de equipamento esteja no mnimo a uma distncia de um metro das bordas.

4.4 MEDIO DA VELOCIDADE NO DECANTADOR DA ETA Os resultados gerados pelo ADCP Rio Grande foram insatisfatrios, uma vez que o equipamento consegui registrar a movimentao do flutuador, mas no do fluxo de gua. Esse comportamento apesar de no desejado, no foi surpreendente. Muito pelo contrrio, era de certa forma esperado, uma vez que, segundo Gamaro (2006) guas muito limpas podem prejudicar a leitura e a profundidade mnima de uso de 75cm. Outro motivo que ter sido a causa da no obteno de resultados a possibilidade de utilizao errnea do aparelho. Devido a falha em obter os dados da forma desejada, tentou-se utilizar outro tipo de medidor, o FlowTracker. Mas com este equipamento tambm no foi possvel obter os dados desejados.

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5 CONCLUSOA simulao realizada com o software COMSOL permitiu gerar dados de velocidade em pontos do decantador que dificilmente os equipamentos atuais de medida de velocidade podem gerar. Verificou-se que o fluxo de gua floculada entra pelo canal e segue para o interior do equipamento sem reas de estagnao de fluxo. No interior do equipamento, pdese observar que as velocidades do fluxo so baixas (entre 0,001 m/s e 0,01m/s), evitando a desagregao dos flocos e proporcionando a sedimentao dos flocos. Aps passar pelo interior do equipamento a gua segue fluxo ascensional em direo s calhas de sada. O uso dos equipamentos FlowTracker e ADCP para medir a velocidade no decantador de fluxo ascensional no apresentou resultados satisfatrios, e novos experimentos devem ser realizados verificando se a sensibilidade destes equipamentos suficiente para medir baixas velocidades. A simulao de um problema clssico de conservao de massa mostrou que o software COMSOL apresenta boa aproximao com a soluo analtica. Uma sugesto para estudos posteriores seria aprimorar a simulao por meio de um maior nmero de variveis nos problemas, tais como a insero das lonas plsticas, e considerar a parcela de lodo decantado. Outro estudo que tambm pode ser feito um comparativo entre o sistema de descarga de lodo antigo e o novo sistema de descarga de lodo.

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APNDICE

Tabela A.1 Resultados das medies de velocidade no cal de entrada da ETA de Maring, obtidos com o FlowTracker da SonTek.