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SISTEMAS ELEVATÓRIOS E HIDROELÉCTRICOS
A. BETÂMIO DE ALMEIDA
Março de 2006
SISTEMAS ELEVATÓRIOS E HIDROELÉCTRICOS
A. Betâmio de Almeida
IST - 2006
APRESENTAÇÃO
A disciplina de Sistemas Elevatórios e Hidroeléctricos tem características de disciplina
vocacionada para o enquadramento da actividade de projecto. Este tipo de actividade
compreende um conjunto vasto de componentes e aspectos de índole diferente.
Exige, entre outros elementos:
− conhecimentos básicos de engenharia no domínio fundamental em causa;
− conhecimentos especializados em alguns assuntos, nomeadamente técnicas de análise
e de resultados de estudos semelhantes;
− conhecimentos relativos a critérios e recomendações técnicas;
− experiência resultante da execução de obras, projectos ou estudos no domínio em
causa;
− conhecimentos básicos em domínios associados e correspondente ao conjunto de
condicionamentos mais significativos – económicos (custos / benefícios), de qualidade
ambiental, segurança e risco, de exploração legais, estéticos...
À actividade de projecto não corresponde um corpo de doutrina bem definido. O domínio de
interesse técnico-científico é aberto, interdisciplinar e pode alterar-se em função de
especificidade do caso real.
A experiência acumulada, a complexidade dos estudos efectuados e a capacidade de análise
integrada dos conhecimentos e das experiências especificas são factores essenciais na
consolidação e desenvolvimento da qualificação como projectista de um determinado tipo de
estruturas.
Nesta conformidade, o currículo e as matérias abordadas em cada edição da disciplina seguem
uma estrutura de referência mas serão muito flexíveis evoluindo à medida que a experiência o
aconselhe. O objectivo é apontar pistas e suscitar interesse ou curiosidade em alguns aspectos e
alertar para alguns dos aspectos mais importantes a ter em conta na concepção, na análise, no
dimensionamento e na avaliação do projecto de sistemas hidráulicos elevatórios e
hidroeléctricos.
A disciplina aproveitará a oportunidade para apresentar experiências reais e novos temas como
o da análise de risco aplicada ao domínio e outros assuntos relativos a avanços na investigação
e na experiência de consultoria como, por exemplo, os transitórios hidráulicos.
Abril de 2006.
A. Betâmio de Almeida
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SISTEMAS ELEVATÓRIOS E HIDROELÉCTRICOS
A. Betâmio de Almeida
IST - 2006
1 – FUNDAMENTOS
1.1 – FINALIDADES
No contexto da engenharia hidráulica, os sistemas elevatórios e hidroeléctricos têm por
finalidade
− Suprir carências energéticas ou de carga hidráulica, por forma a possibilitar o transporte
de fluidos e a respectiva utilização nas condições consideradas adequadas ou desejadas
– Sistemas elevatórios ou de bombagem.
− Aproveitar excessos energéticos ou de carga hidráulica para produção de energia sob
uma forma económica e tecnicamente mais rentável ou útil através da transformação da
energia do fluido – Sistemas hidroeléctricos ou de turbinagem.
Existem sistemas que podem ser, alternadamente, sistemas de bombagem e de turbinagem
durante um determinado período do dia e bombagem noutros períodos.
1.2 – SISTEMAS ELEVATÓRIOS
1.2.1 – Considerações gerais
Os sistemas elevatórios são sistemas hidráulicos em pressão onde é proporcionada a elevação
da linha de energia através de um componente específico, a bomba hidráulica. A bomba
hidráulica recebe energia do exterior, nomeadamente energia eléctrica transformada em energia
mecânica por um motor, e cede-a ao escoamento. Deste modo, a carga hidráulica do
escoamento (energia por unidade de peso do fluido) é elevada.
A RETER:
− O sistema elevatório pressupõe, em geral, um sistema hidráulico em pressão. As
excepções são raras e ocorrem em sistemas especiais.
− A característica principal de um sistema elevatório é a elevação da linha de energia ou o
aumento da carga hidráulica do escoamento por efeito de um componente hidráulico
especial: a bomba hidráulica.
− A bomba hidráulica recebe energia do exterior (energia eléctrica ou outra) a qual é
transformada em energia mecânica.
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− A carga hidráulica resultante possibilitará:
• vencer a resistência hidráulica ao escoamento – compensar as perdas de carga
hidráulica no sistema compatíveis com as características físicas deste e com o
caudal que se pretende escoar;
• vencer um desnível topográfico desfavorável – elevar o fluido da cota topográfica
na origem para uma cota topográfica superior no destino;
• garantir uma pressão mínima ao fluido considerada nas secções de
fornecimento do sistema para as aplicações previstas.
1.2.2 – Conceitos fundamentais
Carga Hidráulica, H
zg
VpH ++=2
2αγ
γp
= altura piezométrica
p = pressão
γ = peso volúmico do fluido
γ
α2V 2
= altura cinética do tubo de fluxo
V = velocidade média
g = aceleração de gravidade
α = coeficiente de Coriolis
z = altura ou cota topográfica (eixo do tubo de fluxo)
Uma bomba hidráulica ou um grupo de bombas hidráulicas permitem a elevação da carga
hidráulica H entre a secção 1 (montante) e secção 2 (jusante):
0HHH 12 >−=∆
por forma a garantir a prossecução dos objectivos acima referidos.
Em regime permanente (sem alterações no domínio do tempo) a subida da linha de energia, ou
aumento de carga hidráulica, corresponde a uma cedência de energia de uma fonte exterior. A
energia cedida por unidade de tempo corresponde à potência de alimentação do conjunto de
bombas hidráulicas:
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Potência = γ Q ∆H/ηt
sendo
γ = peso volúmico do fluido;
Q = caudal total do fluido em escoamento;
∆H = carga hidráulica fornecida ao escoamento pelas bombas hidráulicas;
ηt = rendimento total dos grupos motor-bomba e do processo de transferência
energética.
O valor da energia E fornecida do exterior durante um intervalo de tempo T corresponderá ao
valor do seguinte integral:
( ) dtHQET
t∫ ∆=0
ηγ /
A energia será variável atendendo a que:
− o caudal poderá varia com o tempo Q(t);
− a carga hidráulica cedida poderá variar com o tempo ∆H(t);
− o rendimento total poderá cariar com o tempo ηt (t).
1.2.3 – Tipologias
Os sistemas elevatórios podem ser inseridos em diversos tipos de sistemas hidráulicos:
− sistemas de produção industriais;
− como componentes de processos técnicos (e.g. sistemas de automação ou de
comunicação);
− sistemas de transporte de fluidos (água).
No contexto da engenharia civil e dos recursos hídricos os sistemas elevatórios são
considerados como componentes essenciais dos sistemas de adução e distribuição de água
para uso humano ou dos sistemas de drenagem de águas residuais e pluviais.
A RETER:
Os tipos de sistemas elevatórios podem ser definidos tendo em conta, nomeadamente:
• a natureza do fluido (água bruta, água tratada, água residual …);
• as características gerais do sistemas hidráulico no que concerne a localização
das bombas hidráulicas (elevação a partir de furos, de reservatórios ou
albufeiras, ou em secções intermédias do sistema – “booster”);
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• do tipo de bombas hidráulicas adoptado (turbo-bombas, centrífugas ou axiais, ou
de deslocamento …).
Ht = Altura total de elevação
EGL = Linha de energia
HGL = Linha piezemétrica
Adaptado de R. L. Sanks – Pumping Station Design
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1.2.4 – Conceitos fundamentais
Sistema elevatório (hidráulico) – sistema compreendendo
• uma ou mais estações (centrais) de bombagem ou elevatórias – estruturas de
elevação;
• condutas – estruturas de transporte (condutas elevatórias e de aspiração);
• estruturas de tomada e de entrega de água;
• sistemas ou estruturas de controlo ou de protecção;
• outras estruturas operacionais (armazenamento, tratamento …).
Estação (central) elevatória ou de bombagem – estrutura física (construção civil) contendo
bombas hidráulicas e respectivos motores (grupos electrobombas), tubagens, equipamento de
controlo (válvulas) e comando (quadros eléctricos) e outro equipamento auxiliar (posto de
transformação).
Altura Estática ou Geométrica de Elevação
− desnível topográfico ou diferença entre as cotas fixas da linha de energia,
respectivamente a montante e a jusante da central elevatória ou da bomba hidráulica.
Exemplo: diferença entre as cotas da superfície livre de um reservatório de grandes
dimensões, a jusante, e da superfície livre de uma albufeira, a montante.
Altura Total de Elevação
− diferença entre as cargas hidráulicas do escoamento à saída e à entrada de uma bomba
hidráulica ou de uma estação elevatória.
1.2.5 – Condicionamentos gerais ao projecto
• Condicionamentos de base
− Objectivo a atingir.
− Elementos de base ou premissas de projecto.
• Características do fluido (ρ, γ, viscosidade …).
• Características da origem e do destino (estrutura e exploração).
• Características do transporte.
- caudal máximo;
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Sistema de adução/distribuição de água
Armazenamento/ compensação Adução/ distribuição
Tubagens VálvulasVálvulasTubagens
Estações de bombagem / elevatórias
BombeamentoVálvulasEstruturas/ construção
Bombas ImpulsoresTransmissão de potência e energia
Eq. de controlo
TubagensDepósitos
Hierarquia de componentes de um sistema hidráulico de adução / distribuição
Sistema de adução/distribuição de água
Armazenamento/ compensação Adução/ distribuição
Tubagens VálvulasVálvulasTubagens
Estações de bombagem / elevatórias
BombeamentoVálvulasEstruturas/ construção
Bombas ImpulsoresTransmissão de potência e energia
Eq. de controlo
TubagensDepósitos
Hierarquia de componentes de um sistema hidráulico de adução / distribuição
Adaptado de L. W. Mays – Manual de S. de Distribuição de Água
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- variação de caudal;
- condicionamentos de exploração;
- pressões mínimas a garantir;
- velocidades mínimas a garantir.
• Condicionamentos topográficos (localização e traçado).
• Condicionamentos ambientais e sociais (localização e traçado).
• Condicionamentos legislativos/regulamentares.
− Concepção geral
• selecção dos componentes principais;
• disposição e localização dos componentes principais;
• compatibilização entre as premissas do projecto e as soluções possíveis;
• selecção de materiais e de tipo de bombas;
• atravancamentos e pesos;
• características dos sistema e impactes económicos e operacionais
(avaliação) e outros impactes – grau de sofisticação e automação;
• impactes ambientais e estéticos.
− Dimensionamento e especificação de equipamentos
• Soluções técnicas possíveis (equipamentos adequados e disponíveis,
assistência futura na exploração).
• Optimização de soluções (segurança e viabilidade).
• Modelação e análise (hidráulica e estrutural).
• Pormenorização (segurança e fiabilidade).
• Custos de investimento e de exploração.
• Condicionamentos de construção e exploração (acessibilidades).
• Condicionamentos arquitectónicos e estéticos (controlo do ruído).
− Análise de Riscos e Gestão do Risco
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1.2.6 – Elementos de Hidráulica Básica (ALMEIDA, 1982)
Definições
Regime Transitório
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Cavitação bloqueante numa curva.
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Curvas características e NPSH de uma bomba. Altura de aspiração de bombas.
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1.2.7 – Dimensionamento hidráulico no projecto de sistemas de transporte de sólidos (ALMEIDA, 1981)
Em alguns sistemas pretende-se transportar material sólido (e.g. minérios). Neste caso é preciso
adaptar conceitos e utilizar métodos de análise hidráulico específicos.
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1.2.8 – Tópicos especiais de análise hidráulica e analises associadas
No projecto de um sistema elevatório e, em particular, de uma central ou instalação elevatória os
principais tópicos específicos que exigem atenção cuidadosa na análise hidráulica são os
seguintes:
• Tomada de água
o Controlo de sedimentos ou material sólido (tomadas de água em rios/albufeiras).
Pode exigir estruturas especiais e aplicação de critérios adequados. Selecção e
dimensionamento de grelhas e respectiva limpeza.
o Submergência mínima e condições de aspiração.
Controlo de entrada de ar (formação de vórtices). Aplicação de critérios
adequados. Tirante de água mínimo e disposição das entradas das condutas de
aspiração. Critérios de dimensionamento e de concepção geral. Ensaios
hidráulicos ou simulação computacional.
o Volume do tanque de aspiração.
Níveis de arranque e paragem de bombas (E. E. águas residuais).
• Central elevatória
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o Selecção do número e tipo de grupos/bombas
o Verificação dos pontos de funcionamento em regime permanente. Situações
normais e extremas.
o Caracterização das bombas/motores.
Curvas características. Critérios de calagem e de controlo da cavitação (NPSH).
Parâmetros de inércia (PD2). Atravancamento e pesos.
o Reacções aos apoios (forças e binários).
o Selecção do número e tipo de válvulas.
Definição de manobras. Controlo da cavitação.
o Determinação de perdas de carga hidráulica.
Localizadas e contínuas nas tubagens e singularidades. Selecção de diâmetros.
o Sistemas de controlo e medição.
Sensores e detectores. Segurança. Operações de arranque e paragem.
o Regras de exploração e segurança.
Situações de operações normais, excepcionais (paragem para beneficiação ou
manutenção) ou ambientais.
o Drenagem de águas.
• Conduta elevatória
o Selecção do material, do diâmetro e de traçado
Dimensionamento económico
o Análise hidráulica em regime permanente
Cálculo de perdas de carga hidráulica contínuas e localizadas para diversas
situações de funcionamento (caudais normais e extremos) e caudal de
dimensionamento).
o Análise de regimes hidráulicos transitórios.
Simulação computacional de cenários. Avaliação das condições de segurança.
Selecção de soluções e decisões.
o Definição e dimensionamento de sistemas de protecção.
Controlo de pontos altos. Paragens e arranques de grupos.
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o Enchimento e esvaziamento das condutas.
Remoção de ar.
o Estrutura de saída.
Dimensionamento. Efeitos das variações de regime no nível de água (e.g.
canais).
o Operações do sistema.
Optimização energética. Regras de exploração.
o Monitorização e controlo.
Medição de caudais.
o Impactes ambientais.
Controlo do ruído. Drenagem de fluidos poluentes.
1.2.9 – Estruturas de tomada de água
As captações de água para os sistemas elevatórios podem ser feitas em rios, canais, albufeiras
e reservatórios (captações de água superficial) ou em poços, furos e galerias para as águas
subterrâneas.
Alguns dos condicionamentos com captações de água superficial são comuns aos sistemas
elevatórios e hidroeléctricos.
Os principais aspectos associados à hidráulica são os seguintes:
• controlo de material sólido/sedimentos em cursos de água naturais (origem de água);
• controlo da qualidade de água (sistemas para abastecimento);
• controlo das condições de aspiração das bombas e da entrada de ar no circuito em
pressão.
Uma estrutura de tomada de água pode ser considerada como potencialmente composta pelas
seguintes zonas adaptado de (PROSSER, 1977):
I – Zona de captação e derivação a partir da origem (rio, albufeira, ou outra origem),
incluindo canal de condução e eventual equipamento ou estrutura de controlo ou isolamento
(comportas, soleiras descarregadoras, orifícios).
II – Zona de controlo de material sólido, incluindo grelhas, estruturas de deposição de
sólidos e dispositivos de controlo ou isolamento.
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III – Zona (tanque) de aspiração a partir da qual se procede à aspiração para as
condutas que alimentam as bombas do sistema elevatório. Este componente deve garantir um
volume de água que garanta condições hidráulicos adequados para a entrada em pressão e uma
compensação para regularização da exploração das bombas face a caudais afluentes variáveis.
Existem fortes condicionamentos à concepção, disposição e dimensionamento desta zona para
garantir boas condições hidrodinâmicas de aproximação (em instalações importantes pode ser
necessário executar simulações computacionais complexas ou ensaios em modelo físico).
IV – Zona em conduta que conduz a água às bombas hidráulicas (conduta ou condutas
de aspiração).
Para sistemas de adução gravíticos ou para sistemas hidroeléctricos as estruturas de tomada de
água podem ter características semelhantes às dos sistemas elevatórios. Os condicionamentos
relativos à protecção contra a entrada de sólidos, ou de ar são idênticos com as diferenças
resultantes das diferenças nos equipamentos.
Controlo de material sólido
Inconvenientes a evitar:
• o material pode bloquear ou diminuir a capacidade de admissão e de vazão;
• o material introduzido (arrastado ou em suspensão pode danificar equipamento por
abrasão (bombas, turbinas, válvulas...);
• os rendimentos das máquinas hidráulicas podem ser diminuídos;
• os sistemas de vedação podem ser danificados;
• podem ocorrer danos estruturais;
• os custos de manutenção e exploração aumentam.
O material sólido pode ser natural ou ser composto por detritos inorgânicos (lixo) ou por detritos
orgânicos (esgotos domésticos). Nos sistemas elevatórios de águas residuais ou de águas
pluviais, o controlo do material sólido e das lamas é indispensável e exige, em geral,
equipamento específico.
Objectivos a ter em conta
− a exclusão ou limitação de entrada de sedimentos no circuito hidráulico: impedir
totalmente é impossível, o projectista deverá ter informação (critério) das características
e/ou quantidade admissível (características e do equipamento hidráulico).
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Tomada na margem (BHRA, 1989).
Tomada com açude (BHRA, 1989).
Deposição
Grelha
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Elementos de base
− dados topográficos e geomorfológicos (levantamento, fotografia aérea, informação de
especialistas em hidráulica fluvial...);
− dados hidrométricos e hidrológicos (curva de vazão na secção do rio, caudais e níveis de
cheias, probabilidades de ocorrência de situações extremas, variação de cotas da
superfície livre, regime mensal de caudais e de níveis, características meteorológicas do
local...);
− características dos sedimentos transportado ou em suspensão (informação de
especialistas...).
Localização
− previsão de zonas de erosão, deposição e transporte natural em leitos de rios;
− efeitos das curvas na distribuição de velocidades do escoamento natural (condições de
aproximação);
Critérios
Numa zona do leito em curva, a margem exterior (extradorso) é a mais apropriada para a tomada
de água (evita ou diminui a tendência de depósito e de entrada de material sólido). A margem
deve estar estável. A direcção do escoamento não deve ser muito alterada (entrada ortogonais
ao eixo do rio não são de aconselhar) – desvios de 10º a 45º são aceitáveis (o ângulo mais
adequado depende da razão entre o caudal derivado e o caudal total no rio entre a secção do
escoamento e na tomada de água. Em albufeiras e reservatórios onde a velocidade do
escoamento é muito pequena este condicionamento deixa de ser relevante.
Dispositivos ou estruturas de protecção
Nas captações de água superficial, as estruturas das tomadas de água estão condicionadas à
protecção contra a entrada de fracção de material sólido potencialmente afluente que seja
perigosa ou prejudicial para o circuito hidráulico.
Tendo em conta as características do caudal líquido e sólido afluente, são previsto dispositivos
de protecção impondo a sedimentação/deposição de material (estruturas de sedimentação) e
impedindo fisicamente a entrada no circuito hidráulico de corpos com dimensões superiores a
um determinado valor (grelhas e redes de protecção).
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Estes dispositivos condicionam as velocidades máximas do escoamento derivado e impõe
dimensões às secções líquidas brutas (secções transversais e em planta).
1.2.10 – Condicionamentos hidráulicos na aspiração
A alimentação das condutas de aspiração a partir de canais de derivação ou de tanques de
aspiração está associada a alguns problemas hidráulicos especiais, nomeadamente os
associados à formação de vórtices. Estes problemas caracterizam-se, basicamente, pelo
aparecimento eventual de vórtices na zona próxima da secção de entrada das condutas de
aspiração.
Inconvenientes:
Os vórtices formados no seio do escoamento com superfície livre, imediatamente a montante da
secção de aspiração, podem ser arrastados para o interior da conduta estabelecendo-se então
uma potencial via de sucção de ar entre a superfície livre e o interior do circuito hidráulico. A
entrada de ar no circuito hidráulico em pressão é muito inconveniente: o ar pode vir a acumular-
se em pontos altos a constituir bolsas gasosas que diminuam a capacidade de vazão (indução
de perdas de carga hidráulica) e possam provocar vibrações. A entrada de ar nas máquinas
hidráulicas pode provocar graves perturbações no funcionamento destas (diminuição do
rendimento e vibrações).
A circulação ou rotação provocada no escoamento pode também prejudicar o funcionamento das
máquinas hidráulicas (diminuição dos rendimentos e aparecimento de forças não-equilibradas).
Em resumo, a formação de vórtices na zona de aspiração das bombas ou na tomada de água
pode provocar:
− entrada de ar e efeitos hidropneumáticos;
− perturbações no funcionamento das máquinas hidráulicas (redução dos valores dos
rendimentos, aumento do NPSH, vibrações e ruídos ...);
− aumento de perdas de carga localizadas;
− possibilidade de introdução de objectos ou detritos por sucção.
As bombas axiais são mais sensíveis ao ar introduzido do que as bombas centrífugas.
Concentrações volumétricas de ar da ordem de 7 a 20% podem fazer interromper a operação de
bombagem.
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Causas:
De entre as várias possíveis causas de formação de vórtices citam-se as seguintes:
− excentricidade ou assimetria do escoamento na aproximação à conduta de aspiração;
− gradientes de velocidade resultantes de camadas limites tridimensionais;
− obstáculos localizados (pilares, paredes ...).
A circulação no escoamento e a formação de vórtices no tanque de aspiração ou no canal de
alimentação devem ser sujeitas a controlo, em particular na fase de concepção e projecto da
tomada de água e da estrutura de aspiração das bombas hidráulicas.
As condutas de aspiração podem ter o eixo horizontal, inclinado ou vertical. Para cada
disposição podem ocorrer diferentes tipos de vórtices:
a) vórtices de superfície, podendo arrastar ar desde a superfície livre até à conduta;
b) vórtices sub-superficiais, desde a soleira do tanque ou do canal ou das paredes,
podendo introduzir escoamento com componentes de rotação.
Os vórtices podem ter comportamentos diferentes: instável ou estável, permanente, transitório ou
intermitente.
A capacidade de arraste de ar através de um vórtice depende muito da altura de água acima da
secção de entrada da conduta de aspiração (submergência de entrada) e de intensidade do
vórtice ou da circulação.
Critérios de projecto
Para evitar o arrastamento de ar através de vórtices de superfície e para minimizar o transporte
de rotação pelo escoamento, a secção de entrada das condutas de aspiração devem ter uma
submergência mínima adequada. O valor da submergência tem sido obtido a partir de ensaios e
trabalhos experimentais os quais deram origem a critérios de projecto.
Em termos gerais, a submergência relativa crítica (h/d)cr é função de um conjunto de parâmetros
adimensionais (KNAUSS, 1987).
Salienta-se de entre estes, o Número de Froude, Fr:
dg
VFr =
sendo V a velocidade do escoamento na conduta de aspiração com o diâmetro interno d.
A ordem de grandeza do valor deste parâmetro é de (1 < 0 < 100 m3/s):
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0,5 < Fr < 2
As velocidades médias do escoamento na conduta são da ordem de 4,0 m/s (bombas axiais) e
de 2,0 m/s para grandes instalações e Fr < 0,5 (recomendações de Prosser-KNAUSS, 1987,
p. 61). Os critérios são frequentemente apresentados sob a seguinte forma:
xr
cr
FKdh
=
em que o expoente x pode ser x = 2, x = 1 ou x = ½.
Para efeitos práticos, um dos critérios para a submergência recomendável (KNAUSS, 1987,
p. 75) é o seguinte:
rr
Fdh 2
21+=
Este critério foi baseado nos trabalhos de diversos autores sendo ainda recomendado que para
Fr ≤ 1/3 a profundidade de submergência seja 1 a 1,5 o valor de d. Estas recomendações são
válidas para condições de aproximação dos escoamentos adequados.
De um modo geral
rr
Fbadh
+=
sendo sugerido (KNAUSS, 1987, p. 112):
a = 1 – 1,5
b = 2 – 2,5
Os critérios práticos ou simplificados para a submergência mínima são variadas:
− aspiração vertical em tulipa
1,5 a 2 D
− aspiração horizontal na parede
1,0 D
sendo D o diâmetro da secção de entrada na conduta.
As velocidades médias típicas, na aspiração, são as seguintes:
− Zona de aproximação (canal) – 0,3 m/s
− Secção de entrada (alargada) – 1,3 m/s
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− Conduta de aspiração – 4,0 m/s
As dimensões em planta da zona de alimentação estão sujeitas a critérios técnicos, exigindo-se
distâncias para montante da secção de entrada da conduta, na ordem de 10 a 6 D e largura na
ordem de 2 D.
(Nota: em instalações com bombas de elevada capacidade devem ser tidas em conta as
recomendações do fabricante do equipamento).
Estudos especiais poderão ter de ser realizados e influenciar o projecto em pormenor da zona de
aspiração.
Tipos de estruturas de tomada de água
O tipo e a concepção geral de uma estrutura de tomada de água depende de diversos factores:
− Condições locais (características topográficas e da fonte de água superficial).
− Caudal a derivar e características do material sólido que pode potencialmente ser
transportado para a tomada de água.
− Finalidade do sistema e uso de água derivada.
− Acessos e métodos de construção.
Exemplo de critério de submergência (KNAUSS, 1987).
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Exemplo de critério para dimensionamento (Hydraulic Institute Standards, 1975)
Exemplo de critério para dimensionamento de tanques de aspiração (PROSSER, 1977)
45
Exemplos:
− Tomada de água na margem de um rio;
o Factores relevantes a considerar:
caudal a derivar relativamente pequeno, relativamente ao caudal total no rio;
pequenas variações de nível no rio;
protecção por grelhas (área bruta exigida em função das grelhas) e
dispositivo primário de recolha e remoção de material mais grosseiro que
ainda possa passar pelas grelhas;
protecção contra a entrada de peixes.
− Tomada de água com açude;
o Factores relevantes a considerar:
caudal a derivar relativamente grande, relativamente ao caudal total no rio;
o açude garante uma captação adequada garantindo um obstáculo ao
escoamento natural em situações de “águas baixas”;
protecção por grelhas e dispositivos primários de recolha e remoção de
material mais grosseiro;
a tomada pode ser lateral ou incorporada no açude.
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Estrutura de tomada de água lateral (margem da albufeira).
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Tomada de água com açude;
o Factores relevantes a considerar:
captação a partir de um grande reservatório (albufeira) ou estuário;
variações grandes no nível de água
problema do material sólido muito atenuado;
torre acessível para operação de equipamento;
entradas a cotas diferentes (variação do nível e condicionamentos da
qualidade de água);
protecções por grelhas.
Em todos os exemplos deve ser considerado a necessidade de instalações de comportas ou
válvulas de seccionamento por forma a isolar o circuito e permitir, caso se revele adequado,
tornar acessível zonas sensíveis da estrutura para beneficiação ou manutenção.
A figura permite obter o valor de velocidade de queda Vs em condições ideiais para partículas de
quartzo esféricas;
Tomada em torre numa albufeira (BHRA, 1989).
entradas
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o a velocidade de queda é influenciada por diversos factores:
− turbulência
− paredes sólidas
− conjuntos de partículas (concentração)
− etc.
Estruturas de deposição de sólidos
Quando é inevitável que seja derivado um caudal de sólidos relevante, há que prever uma
estrutura de deposição de sólidos a montante da secção de entrada do circuito hidráulico em
pressão. Estas estruturas de deposição podem ser atravessadas por escoamentos em superfície
livre ou em pressão.
Nos sistemas de abastecimento de água pretende-se reduzir ou eliminar o material sólido
transportado através da sedimentação do mesmo ou da fracção do mesmo na estrutura de
deposição. A deposição pode também ser posteriormente assistida por técnicas químicas e/ou
de filtração.
Conceitos básicos
− sedimentação por gravidade (velocidade de queda de corpos sólidos imersos);
− estruturas de grande secção transversal e comprimento;
− a velocidade de queda vai depender da dimensão, forma e peso volúmico das partículas
sólidas e de viscosidade da água;
− a interferência torna-se significativa para concentrações (suspensões) de sedimentos
superiores a 2000 mg/l (BHRA, 1989)
− a remoção de partículas muito finas está fora do âmbito de deposição gravítica e exige
processos secundários especiais.
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Tomada de água com dispositivos para remoção de material sólido (BHRA, 1989).
Metodologia simplificada – bacia de deposição ideal
− Tempo de queda
sq V
dT =
d = altura do escoamento na secção inicial (L)
sV = velocidade de queda (L / t)
− Tempo de queda
QAdTr =
A = área horizontal da bacia (L2)
transição
comporta
50
d = altura do escoamento (L)
Q = caudal de referência (L3 / t)
− Velocidade de queda
Pode ser obtido por
Rs C
dDV
)(,
1613 50 −
=
d = densidade da partícula sólida ( γγ /s )
RC = coeficiente de forma que depende do número de Reynolds (DDV
R se
50= )
Na figura
− Hipóteses simplificativas
o Distribuição uniforme de velocidades e de sólidos em suspensão na secção inicial;
Diâ
met
ro
Velocidade de queda Vs (cm/s)
51
o Turbulência desprezável;
o Sólidos depositados não voltam ao estado de suspensão.
− Hipóteses de dimensionamento
rq TT =
sVQA =
− Bacia de deposição real
Nas estruturas reais a eficiência de deposição é menor do que nas estruturas ideais:
− existe turbulência
− correntes secundárias
Eficiência o
rC
C=η
− concentração removida
− concentração inicial
Fórmula de Hazen (BHRA, 1989)
my
QwAm
−
+−= 11η
m = parâmetro de eficiência da bacia ( de 0 a 1)
Fórmula da USBR (m = 0)
QwA
e−
−= 1η
− Controlo de transporte por arrastamento
As partículas depositadas não devem ser transportadas por arrastamento. A tensão
tangencial no fundo deve ser inferior à tensão crítica.
Critério de ASCE (1989):
215061
8304150
//
,)(,
−=
DdCRHKV rsa
RH = raio hidráulico
sK = coeficiente empório de Manning-Strickler
52
Pode, também, ser aplicado o diagrama de Shields.
− Forma em planta
O comportamento hidráulico da bacia melhora no caso de estruturas mais longas e estreitas
do que muitas largas e curtas.
Estrutura de deposição / sedimentação. Exemplos.
- Estrutura em pressão
- Estrutura em superfície livre (BHRA, 1989)
53
≈bLmin 2 a 3
A estrutura pode ser subdividida por paredes longitudinais.
− Entrada da bacia
Na entrada da bacia deve ser garantida uma distribuição uniforme ou quasi-uniforme do
escoamento e das partículas sólidas.
− Saída da bacia
Deve ser evitado o arrastamento de material depositado para o circuito hidráulico.
− Remoção de material depositado
Periodicamente deve ser realizada a remoção do material sólido depositado. Esta remoção
pode ser feita por métodos hidráulicos (correntes provocadas por descargas) através da
abertura de comportas. Estas correntes arrastarão parte do material. Regra geral impõe-se
ainda a remoção mecânica.
− Grelhas de protecção. Condicionamentos hidráulicos
Nas estruturas de tomada de água são colocadas grelhas de protecção contra a entrada de
corpos sólidos. As grelhas planas, são em geral, constituídas por painéis rectangulares
ligados a uma estrutura definida por travessas e longarinas que se apoiam na estrutura
(betão) da tomada.
Condicionamentos
o Perda de carga hidráulica
gVKH2
2=∆
A obstrução provocará uma força hidrodinâmica sobre a grelha e a estrutura de
suporte.
As grelhas podem ser movidas de detectores de perdas de carga e de sistemas de
limpeza automáticas.
o Vibrações hidrodinâmicas
A passagem do escoamento pode induzir vibrações que podem ser agravadas em
função da velocidade. São aconselhadas velocidades limites para o escoamento de
aproximação da grelha (LENCASTRE, 1996).
54
De um modo aproximado essas velocidades não devem exceder o valor de 1 m/s.
O espaçamento entre barras depende das funções que exercerão (protecção de equipamentos a
jusante). Valores entre 5 a 50 mm podem ser considerados usuais. As grelhas têm por objectivo
impedir a entrada de detritos sólidos de grandes dimensões mas não evitam a entrada de
sedimentos finais.
As grelhas poderão ser dispensadas nos casos em que a aspiração se faz a partir de uma ETA
para um sistema de distribuição ou reservatório. Razões de segurança podem, contudo, justificar
a instalação de grelhas.
1.2.11 – Optimização do volume do tanque de aspiração
Em alguns sistemas elevatórios o dimensionamento óptimo do tanque de aspiração é crucial: o
caudal afluente é variável (intermitente e irregular) e o espaço disponível pode ser escasso. É o
caso típico de muitas instalações elevatórias de águas dos caudais afluentes e garantir boas
condições de funcionamento das bombas (rendimentos e custos energéticos) torna-se
necessário prever sistemas de comando automáticos para arranque e paragem das bombas que
são tradicionalmente baseadas nos níveis de água no tanque de aspiração. A juntar aos
condicionamentos de espaço e dos custos é considerar, também, as restrições de ordem
eléctrica relativos aos arranques das brechas hidráulicas.
O arranque de uma bomba hidráulica está associada a condições mais exigentes: correntes
eléctricas mais internas do que em funcionamento normal, provocando perturbações e
resultando em variação de tensão e maior aquecimento do motor eléctrico. Esta situação
correspondente a uma restrição técnica relevante à frequência de arranques das bombas
hidráulicas ou seja ao número de arranques num determinado intervalo de tempo. Este
condicionamento tem implicações directas na fixação do volume de tanque de aspiração.
Factores a ter em conta
− Características dos caudais afluentes e de elevação
− Número de bombas hidráulicas
− Capacidade de cada bomba (caudal unitário e curva característica)
− Nível de funcionamento de cada bomba
− Eventual selecção de bombas com velocidade variável (ajustamento de caudais)
− Ciclo de operação mínimo para cada bomba.
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Volume mínimo
A fórmula clássica que resulta da maximização do valor da frequência de arranques de uma
bomba hidráulica permite obter o volume útil mínimo para tanque de aspiração em função do
intervalo de tempo entre arranques:
4TQ
V b=
sendo
V = volume útil (m3)
bQ = caudal de bombagem (m3/s)
T = intervalo de tempo entre arranques da bomba hidráulica (s)
Este valor para V corresponde a um valor ab QQ 2= , sendo aQ o caudal afluente ao
tanque suposto constante.
Pode ser necessário considerar um outro condicionamento: o tempo de detenção máximo
( maxdT ):
maxmin da xTQV ≤
O valor de maxdT corresponde ao período de detenção máximo admitido para evitar a evolução
excessiva do processo de bio degradação e dependerá da concentração dos caudais afluentes e
de temperatura.
(Nota: contribuição a solicitar à componente da qualidade ambiental do projecto).
O caudal bQ (capacidade de bombagem) não deverá ser inferior ao caudal de ponta afluente.
A frequência de arranque máxima pode ser da ordem de 15 arranques por hora.
(Nota: contribuição a solicitar à componente electromecânica do projecto)
No caso de grande variação de caudais afluentes poderá ser necessário adoptar esquemas mais
complexos de exploração e de comando: existem ábacos e pode ser executada uma simulação
computacional.
Os volumes de regulação definitivos devem ter em conta os tempos de atraso nos arranques e a
atingir os regimes permanentes finais (transitórios hidráulicos) e as limitações de sensibilidade
na detecção de sinais de nível ou outro dispositivo de medição (pressões).
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Exemplo de tanque de aspiração.
Estruturas especiais
a) Estruturas flutuantes
Em algumas situações pode justificar-se a consideração de dispositivos de tomada de
água flutuantes, nomeadamente quando a origem é um estuário ou um lago com
variações de nível significativos sem outros problemas (material sólido ou peixes).
Exemplo: um flutuador na extremidade de um tubo flexível que conduz a água para a
conduta de aspiração. O flutuador acompanha o nível de água e está limitado a
movimentos na vertical em resultado de elementos-guia em betão.
Outra solução que pode revelar-se interessante é a de instalar a central de bombagem
numa estrutura flutuante (tipo barco). Nesta solução a aspiração é feita directamente da
massa de água.
A segurança de instalação e de exploração exige maior cuidado na definição das
solicitações sobre a embarcação, nomeadamente os efeitos directos ou indirectos, do
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vento, e das medidas necessárias para garantir coeficientes de estabilidade aceitáveis,
incluindo a instalação de cabos de ancoragem que garantam binários de equilíbrio e
limitem as deslocações por forma a proteger as tubagens de ligação à margem.
b) Tomadas de água com vórtice
Pode ser hidraulicamente eficiente provocar a rotação do escoamento numa conduta de
alimentação vertical ou quase-vertical. O escoamento tem uma aproximação à conduta
num plano superior e depois escoa-se na vertical em rotação (vórtice) até à extremidade
de jusante, num plano inferior.
A tomada de água tem, assim, de ter a capacidade de induzir este movimento de
rotação. Durante o trajecto a componente de velocidade vertical vai aumentando e a
componente de rotação vai diminuindo.
Vantagens potenciais:
− disposição adicional de energia;
− menor quantidade de ar arrastado, o qual tende a ser concentrado na zona
central.
Existem diversas configurações para este tipo de tomada de água: secção circular, em
caracol, em espiral, tangencial, entre outras.
A estrutura em caracol é das mais adaptadas.