Abastecimento de ÁguaCarlos Fernandes de Me, Notas de estudo de Hidráulica

Baixe Abastecimento de ÁguaCarlos Fernandes de Me e outras Notas de estudo em PDF para Hidráulica, somente na Docsity! Abastecimento de Água Carlos Fernandes de Medeiros Filho Universidade Federal de Campina Grande – UFCG Campina Grande – PB Professor Carlos Fernandes de Medeiros Filho - UFCG 146 CAPÍTULO I – A ÁGUA NA NATUREZA.................................................................................. 2 I.1. GENERALIDADES............................................................................................................ 2 I.1.1. Quantificação................................................................................................................ 2 I.1.2. O ciclo hidrológico....................................................................................................... 2 I.2. PRINCIPAIS PROPRIEDADES DA ÁGUA...................................................................... 2 I.2.1. Composição química.....................................................................................................2 I.2.2. Massa específica........................................................................................................... 2 I.2.3. Densidade relativa.........................................................................................................2 I.2.4. Peso específico.............................................................................................................. 2 I.2.5. Viscosidade dinâmica....................................................................................................2 I.2.6. Viscosidade cinemática................................................................................................. 2 I.2.7. Coesão, adesão e tensão superficial.............................................................................. 2 I.2.8. Compressibilidade.........................................................................................................2 I.2.9. Pressão de vapor........................................................................................................... 2 I.2. IMPUREZAS DAS ÁGUAS NATURAIS.......................................................................... 2 I.3. CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DA ÁGUA NATURAIS.............................................2 I.3.1. Principais características............................................................................................... 2 I.3.2. pH..................................................................................................................................2 I.3.3. Dureza........................................................................................................................... 2 I.3.4. Acidez........................................................................................................................... 2 I.3.5. Alcalinidade.................................................................................................................. 2 I.3.6. Sólidos...........................................................................................................................2 1.3.7. Cloretos........................................................................................................................ 2 I.3.8. Condutividade elétrica.................................................................................................. 2 Professor Carlos Fernandes de Medeiros Filho - UFCG 146 V.7. 1. Categorias................................................................................................................... 2 V.7. 2. Tubulações.................................................................................................................. 2 V.7. 3. Conexões..................................................................................................................... 2 V.7. 3. Peças especiais............................................................................................................2 V.8. EXERCÍCIOS..................................................................................................................... 2 CAPÍTULO VI - BOMBAS CENTRÍFUGAS.............................................................................. 2 VI.1. MÁQUINAS HIDRÁULICAS......................................................................................... 2 VI. 1.1. Definição................................................................................................................... 2 VI.1.2. Classificação.............................................................................................................. 2 VI.2. BOMBAS.......................................................................................................................... 2 VI.2.1. Definição....................................................................................................................2 VI.2.2. Classificação.............................................................................................................. 2 VI.2.3. Bombas Centrífugas................................................................................................... 2 VI. 2.4. Cavitação...................................................................................................................2 VI.3. OPERACIONALIDADE DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS...........................................2 VI.3.1. Ocorrências................................................................................................................ 2 VI.3.2. Procedimentos de manutenção preventiva................................................................. 2 VI.4. INFORMAÇÕES COMPLEMENTARES........................................................................2 VI.4.1. Número de conjuntos................................................................................................. 2 VI. 4.2. Seleção...................................................................................................................... 2 VI. 4.3. Manual de instruções................................................................................................ 2 VI. 4.4. Casa de bombas.........................................................................................................2 VI. 4.5. Acessórios e dispositivos complementares............................................................... 2 CAPÍTULO VII - CARACTERÍSTICAS DO ENCANAMENTO DE ÁGUA............................ 2 Professor Carlos Fernandes de Medeiros Filho - UFCG 146 VII.1. CURVAS CARACTERÍSTICAS DO ENCANAMENTO.............................................. 2 VII.1.1. Definição...................................................................................................................2 VII.1.2. Associação de tubulações............................................................................................. 2 VII.1.2.1. Associações em série.............................................................................................. 2 VII.2. PONTO DE TRABALHO DAS BOMBAS.................................................................... 2 VII.3. NOÇÕES SOBRE MOTORES....................................................................................... 2 VII.3.1. Motores..................................................................................................................... 2 VII.3.2. Motores elétricos...................................................................................................... 2 VII.3.3. Classificação motores de corrente contínua............................................................. 2 VII.3.4. Motores elétricos de corrente alternada....................................................................2 VII.3.5. Frequência.................................................................................................................2 VII.3.6. Potência a instalar..................................................................................................... 2 VII.4. RECOMENDAÇÕES PARA PROJETOS DE ELEVATÓRIAS.....................................2 VII.4.1. Número de conjuntos................................................................................................2 VII.4.2. Seleção...................................................................................................................... 2 VII.4.3. Manual de instruções................................................................................................ 2 VII.4.4. Casa de bombas........................................................................................................ 2 VII.4.5. Acessórios e dispositivos complementares...............................................................2 CAPÍTULO VIII - NOÇÕES SOBRE TRATAMENTO DE ÁGUA.............................................2 VIII.1. INTRODUÇÃO..............................................................................................................2 VIII.2. PROCESSOS DE TRATAMENTO FÍSICO-QUÍMICOS E DE DESINFECÇÃO.......2 VIII.3. ESQUEMA DE UMA ETA CONVENCIONAL........................................................... 2 VIII.4. TRATAMENTOS PRELIMINARES............................................................................. 2 VIII.4.1. Grades e crivos (TRECHO EM REDAÇÃO)......................................................... 2 Professor Carlos Fernandes de Medeiros Filho - UFCG 146 VIII.4.2. Aeração....................................................................................................................2 VIII.4.3. Sedimentação simples............................................................................................. 2 VIII.5. SEDIMENTAÇÃO COM COAGULAÇÃO QUÍMICA............................................... 2 VIII.5.1. Mistura rápida ou Coagulação.................................................................................2 VIII.5.2. Mistura lenta ou Floculação.................................................................................... 2 VIII.5.3. Decantação.............................................................................................................. 2 VIII.7. FILTRAÇÃO.................................................................................................................. 2 VIII.7.1. Filtração lenta.......................................................................................................... 2 VIII.7.2. Filtração rápida........................................................................................................2 VIII.8. DESINFECÇÃO............................................................................................................ 2 VIII.8.1. Cloração...................................................................................................................2 VIII.9. O CLORO.......................................................................................................................2 VIII.9.1. História........................................................................................................................ 2 VIII.9.2. O Cloro e seus compostos....................................................................................... 2 VIII.10. TRATAMENTOS ESPECIAIS.................................................................................... 2 VIII.10.1. Fervura...................................................................................................................2 VIII.10.2. Correção da dureza................................................................................................2 VIII.10.3. Remoção de ferro.................................................................................................. 2 VIII.10.4. Correção de acidez excessiva................................................................................ 2 VIII.10.5. Remoção de odor e sabor desagradáveis............................................................... 2 VIII.10.6. Fluoretação das águas............................................................................................2 VIII.10.7. Dessalinização de água..........................................................................................2 VIII.11. TRATAMENTOS PARA OUTROS FINS....................................................................2 VIII.11.1. Águas de refrigeração............................................................................................2 Professor Carlos Fernandes de Medeiros Filho - UFCG 146 CAPÍTULO I – A ÁGUA NA NATUREZA I.1. GENERALIDADES I.1.1. Quantificação A água é a substância simples mais abundante no planeta Terra e pode ser encontrada tanto no estado líquido, gasoso ou sólido, na atmosfera, sobre ou sob a superfície terrestre, nos oceanos, mares, rios e lagos. Também o constituinte inorgânico mais presente na matéria viva: cerca de 60% do peso do homem é constituído de água e em certos animais aquáticos esta porcentagem alcança 98% (SPERLING, 1996, p. 12). Cientistas estimam que o nosso planeta tem três quartos de sua massa só de água (1,36 x 1018 m3 segundo SPERLING, 1996, p. 12), ou seja, 1 trilhão e 360 bilhões de quilômetros cúbicos, com 1,5 x 10 12 metros cúbicos em estado livre no planeta (A. NETTO et alli, 1998, p. 536). Os mares e os oceanos contêm cerca de 97,4 % de toda essa massa, formada pela água salgada. 2 % da água total está estocada sob a forma de neve ou gelo, no topo das grandes cadeias de montanhas ou nas zonas polares. Assim apenas cerca de 0,6 % do total encontra-se disponível como água doce nos aquíferos subterrâneos (0,5959 %), os rios e lagos superficiais (0,0140 %) e na atmosfera na forma de vapor d’água (0,001 %). A maior parte das águas subterrâneas encontra-se em condições inadequadas ao consumo ou em profundezas que inviabilizam sua exploração. Diante desta situação é de importância fundamental para o futuro da humanidade, e sua própria sobrevivência, que se valorize a preservação dos recursos hídricos do planeta em suas condições naturais. I.1.2. O ciclo hidrológico Conhecida a distribuição da água na Terra, é importante também que se saiba como ela se movimenta no planeta. Ao seu permanente movimento de mudanças de estado (sólido, líquido ou gasoso) ou de posição (superficial, subterrânea ou atmosférica) em relação à superfície da Terra, denominou-se de ciclo hidrológico. Por definição, então, ciclo hidrológico é a descrição do comportamento natural da água em volta do globo terrestre. Essencial para o desenvolvimento da vida na Terra, é composto de três fenômenos principais: evaporação para a atmosfera, condensação em forma de nuvens e precipitação, mais frequentemente em forma de chuva, sobre a superfície terrestre, onde ela se dispersa sobre as mais variadas maneiras, de acordo com a superfície receptora, escoando sobre a superfície, infiltrando-se e/ou evaporando-se. A cada ano, a energia do Sol faz com que um volume de aproximadamente 500.000 Km3 de água se evapore, especialmente dos oceanos, embora também de águas e rios. Essa água retorna para os continentes e ilhas, ou para os oceanos, sob a forma de precipitações: chuva ou neve. Os continentes e ilhas têm um saldo positivo nesse processo. Estima-se que eles “retirem” dos oceanos perto de 40.000 Km3 por ano. É esse saldo que alimenta as nascentes dos rios, recarrega os depósitos subterrâneos, e depois retorna aos oceanos pelo deságue dos rios. A água é encontrada na atmosfera mais frequentemente sob a forma de vapor ou de partículas líquidas, embora não seja raro sob a forma de neve ou de gelo. Para que ocorra uma precipitação é necessário que o vapor atmosférico sofra condensação em gotículas que, ao atingir determinado peso, não podem continuar em suspensão, caindo em forma de chuva. Se durante essa precipitação essas gotas atravessarem camadas atmosféricas com temperaturas negativas poderá ocorrer o congelamento e a precipitação ocorrer na forma de partículas de gelo, o granizo. Se essa condensação ocorrer sob temperaturas de congelamento, a precipitação se dará em forma de neve. Embora sem importância para estudos de abastecimento de água, em função de sua insignificante contribuição para a formação de escoamentos superficiais, ainda se pode registrar que quando a condensação for originada do contato do vapor atmosférico com uma superfície sólida, o solo por exemplo, e em temperaturas do ar circundante muito baixas, não necessariamente de congelamento, ocorre a formação do orvalho ou das geadas. A ocorrência destes tipos de condensação é de extrema importância em áreas agrícolas, assim como a precipitação em forma de granizo. Resumindo, as precipitações pluviométricas podem ocorrer tanto da forma mais comum conhecida como chuva, como em formas mais moderadas como neblinas, garoas ou geadas, ou mais violentas como acontecem nos furacões, precipitações de granizo, nevascas, etc. Quando a chuva alcança o solo, parte da água se infiltra e parte fica temporariamente sobre a superfície, em função da intensidade da chuva e da capacidade de infiltração do solo. Da parcela superficial parte é retida, passa do estado líquido para o gasoso pelo processo de evaporação natural, e volta a atmosfera. A intensidade desse fenômeno natural depende da temperatura ambiente, da ventilação e da umidade relativa do ar. O restante escoa, sobre a superfície livre do terreno, indo abastecer os corpos receptores naturais como rios lagos e oceanos. Da parcela infiltrada, a que fica retida nos interstícios próximos à superfície volta a atmosfera na forma de vapor e o restante penetra mais profundamente e vai abastecer o lençol freático e outros aquíferos subterrâneos. A Figura III.1 representa esquematicamente o ciclo hidrológico com seus principais componentes. Figura III.1 – Principais fases do ciclo hidrológico Em áreas cobertas por densa vegetação o volume de água que é transferido para a atmosfera, através do fenômeno de transpiração, pode ser bastante significativo, em função da dimensão dessa área. Nesse processo a água é retirada do solo pelas raízes, transferida para as folhas e, então, evaporada. Assim, numa área de floresta, por velocidade. É geralmente simbolizada pela letra grega minúscula "F 0 6 D" e tem a dimensão de força por unidade de área. Sua unidade no S.I. é poise (1 poise = 0,1N.s/m2). Em termos práticos com água fria, frequentemente trabalha-se com F 0 6 D = 1,03.10-4 kgf.s/m2(Tabela 1). NOTA: Poise é uma homenagem ao físico francês, de Paris, Jean Louis Poiseuille (1799-1869) estudioso do escoamento em microtubos, com diâmetros inferiores a 0,2mm. I.2.6. Viscosidade cinemática Em estudos hidráulicos muitas vezes é conveniente utilizarmos o conceito de viscosidade cinemática, que é uma grandeza definida a partir da relação entre a viscosidade e a densidade (F 0 6 D /F 0 7 2 ) e é geralmente simbolizada pela letra grega minúscula "F 0 6 E". Sua unidade no S.I. é stoke (1stoke = 1cm2/s). Habitualmente trabalhamos com F 0 6 E = 1,01.10-6m2/s, que corresponde a viscosidade da água a 20oC, aproximadamente (Tabela II.1). NOTA: Stoke é uma homenagem ao matemático britânico, nascido em Skreen, Irlanda, e educado em Cambridge, George Gabriel Stokes (1819-1903) especialista em viscosidade de fluidos. Tabela II.1. Densidades e viscosidades da água sob condições normais de temperatura e pressão Temperatura F 0 7 1F 0 2 0(°C) Densidade absoluta F 0 7 2F 0 2 0(kg/m3)* Viscosidade dinâmica F 0 6 DF 0 2 0(10-3 N.s/m2) Viscosidade cinemática F 0 6 EF 0 2 0(10-6m2/s) Densidade relativa F 0 6 4 0 (gelo) 917,0 - - 0,9170 0(água) 999,8 1,781 1,785 0,9998 4 1000,0 1,558 1,558 1,0000 5 1000,0 1,518 1,519 1,0000 10 999,7 1,307 1,308 0,9997 15 999,1 1,139 1,140 0,9991 20 998,2 1,002 1,003 0,9982 25 997,0 0,890 0,893 0,9970 30 995,7 0,798 0,801 0,9967 40 992,2 0,653 0,658 0,9922 50 988,0 0,547 0,553 0,9880 60 983,2 0,466 0,474 0,9832 70 977,8 0,404 0,413 0,9788 80 971,8 0,354 0,364 0,9728 90 965,3 0,315 0,326 0,9653 100 958,4 0,282 0,294 0,9584 (*) para se obter em kgf.s2/m4 divide-se o valor tabelado por 9,80665 I.2.7. Coesão, adesão e tensão superficial Em um líquido as moléculas da superfície estão submetidas a uma força de atração para o interior devido a forças eletrolíticas. Este fenômeno dá origem a uma tensão tangencial a superfície ao longo de toda área livre do líquido que faz com que o mesmo adira ou não a superfície em contato em volta. Diz-se que coesão é a propriedade que uma substância tem de conservar-se unida resistindo à separação. Num comportamento contrário a adesão é a propriedade do líquido se fixar na superfície de outros corpos. Por exemplo, a água tende a aderir a superfície em volta molhando esta superfície ou subindo acima do nível de repouso pelo efeito chamado de capilaridade, enquanto que com o mercúrio ocorre o fenômeno inverso. No caso da água temos que a adesão é superior a coesão e no do mercúrio a coesão é maior. A tensão superficial é o fenômeno que se verifica na superfície de separação entre dois fluidos não miscíveis. Esta tensão depende da natureza dos fluidos em contato e da temperatura. É determinada pela tensão por unidade de comprimento numa linha qualquer de separação e é geralmente simbolizada pela letra grega minúscula "F 0 7 3" e expressa em unidades de força por unidade de comprimento, por exemplo, no C.G.S. em dyn/cm. Para obtenção de resultados menos precisos emprega-se frequentemente o valor de 0,007 Kgf/m (Tabela II.2). Tabela II.2 - Tensão superficial entre a água e o ar F 0 7 1F 0 2 0(oC) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 F 0 7 3 (dyn/cm) 74,16 72,79 71,32 69,75 68,18 67,16 66,11 64,36 62,60 60,71 58,25 F 0 7 3F 0 2 0(10-3kgf/m) 7,69 7,54 7,40 7,23 7,07 6,96 6,86 6,67 6,49 6 ,30 6,04 I.2.8. Compressibilidade Embora seguidamente se trabalhe com a água como se ela fosse incompressível, na realidade em algumas situações isto pode levar a erros grosseiros como, por exemplo, no caso de estudos referentes a questões que envolvam transmissão de ondas de pressão, como no caso de golpe de aríete. Define-se como módulo de compressibilidade ou de elasticidade, também conhecido como módulo volumétrico de elasticidade ou módulo global de elasticidade, a relação entre o aumento de pressão e o de massa específica para uma dada temperatura, sendo geralmente simbolizado pela letra maiúscula "E" (há autores que preferem a letra grega minúscula "F 0 6 5 "). Usualmente adota-se E = 2,18 x 108Kgf/m² para pré-dimensionamentos com água (Tabela II.3). Tabela II.3 - Módulo de compressibilidade para água em função da temperatura F 0 7 1 (oC) 0 5 10 20 30 40 50 60 E (108kgf/m2) 1,98 2,02 2,07 2,15 2,19 2,21 2,22 2,23 I.2.9. Pressão de vapor Como qualquer outro líquido, a água também tem a propriedade de vaporizar-se em determinadas condições de temperatura e pressão. E assim sendo temos que ela entra em ebulição sob a pressão atmosférica local a uma determinada temperatura. Por exemplo, no nível do mar (pressão atmosférica normal) a ebulição acontece a 100oC. A medida que a pressão diminui a temperatura de ebulição também se reduz. Assim, quanto maior a altitude do local menor será a temperatura de ebulição. Pressão de vapor é, pois, a pressão exercida pelo vapor em determinado espaço. Geralmente é simbolizada por hv. Em condições de cálculos expeditos podemos adotar o valor de 0,024 kgf/cm² (Tabela II.4). Tabela II.4 - Tensão de vapor em função da temperatura Temperatura (°C) Tensão de vapor (mm Hg) Tensão de vapor (kg/cm2) Densidade relativa 0 4,56 0,0062 0,9998 4 6,11 0,0084 1,0000 5 6,50 0,0089 1,0000 10 9,19 0,0125 0,9997 15 12,7 0,0174 0,9991 20 17,4 0,0238 0,9982 abastecimento de água o pH intervém na coagulação química, controle da corrosão, abrandamento e desinfecção. Águas com baixos valores de pH tendem a ser agressivas para instalações metálicas. O padrão de potabilidade em vigor no Brasil, preconiza uma faixa de pH entre 6,5 e 8,5. Normalmente a água apresenta-se boa para ingestão para pH na faixa de 5,5 a 8,0, sob a análise desta característica. I.3.3. Dureza I.3.3.1. Definição Dureza é um parâmetro característico da qualidade de águas de abastecimento industrial e doméstico sendo que do ponto de vista da potabilização são admitidos valores máximos relativamente altos, típicos de águas duras ou muito duras. Quase toda a dureza da água é provocada pela presença de sais de cálcio e de magnésio (bicarbonatos, sulfatos, cloretos e nitratos) encontrados em solução. Assim, os principais íons causadores de dureza são cálcio e magnésio tendo um papel secundário o zinco e o estrôncio. Algumas vezes, alumínio e ferro férrico são considerados como contribuintes da dureza. I.3.3.2. Classificação A dureza total da água compõe-se de duas partes: dureza temporária e dureza permanente. A dureza é dita temporária, quando desaparece com o calor, e permanente, quando não desaparece com o calor, ou seja, a dureza permanente é aquela que não é removível com a fervura da água. A dureza temporária é a resultante da combinação de íons de cálcio e magnésio que podem se combinar com bicarbonatos e carbonatos presentes. I.3.3.3. Características Normalmente, reconhece-se que uma água é mais dura ou menos dura, pela maior ou menor facilidade que se tem de obter, com ela, espuma de sabão. As águas duras caracterizam-se, pois, por exigirem consideráveis quantidades de sabão para produzir espuma, e esta característica já foi, no passado, um parâmetro de definição, ou seja, a dureza de uma água era considerada como uma medida de sua capacidade de precipitar sabão. Esse caráter das águas duras foi, por muito tempo, para o cidadão comum o aspecto mais importante por causa das dificuldades de limpeza de roupas e utensílios. Com o surgimento e a determinação dos detergentes sintéticos ocorreu também a diminuição os problemas de limpeza doméstica por causa da dureza. Também durante a fervura da água os carbonatos precipitam-se. Este fenômeno prejudica o cozimento dos alimentos, provoca "encardido" em panelas e é potencialmente perigoso para o funcionamento de caldeiras ou outros equipamentos que trabalhem ou funcionem com vapor d’água, podendo provocar explosões desastrosas. Assim pode-se resumir que uma água dura provoca uma série de inconvenientes: • é desagradável ao paladar; • gasta muito sabão para formar espuma; • dá lugar a depósitos perigosos nas caldeiras e aquecedores; • deposita sais em equipamentos; • mancha louças. I.3.3.4. Tolerância A despeito do sabor desagradável que referidos níveis podem suscitar elas não causam problemas fisiológicos. No Brasil, o valor máximo permissível de dureza total fixado pelo padrão de potabilidade, ora em vigor, é de 500mgCaCO3/L (Tabela 5 - Padrão de aceitação para consumo humano - PORTARIA N.º 1469, DE 29 DE DEZEMBRO DE 2000). Teores de dureza inferiores a 50ppm não implicam em que a água seja considerada dura. Teores de 50 a 150 não incomodam para efeitos de ingestão, mas acima de 100ppm provocam prejuízos sensíveis em trabalhos que envolvam o uso da água com sabão e originam precipitações com incrustações antiestéticas e até potencialmente perigosas em superfícies sujeitas a aquecimentos. Em geral a redução da dureza para concentrações inferiores a 100ppm só é economicamente viável para fins industriais, onde o produto final ou os equipamentos dependem de água de melhor grau de pureza. I.3.3.5. Correção Para a remoção de dureza da água, são tradicionais dois processos: o da cal-soda e dos zeólitos. Nas últimas décadas tem ganhado muita divulgação e emprego, o da osmose inversa, principalmente em nossa região, onde há extrema carência de água e as poucas fontes disponíveis são, sejam subterrâneas ou superficiais, na maioria de águas salobras. Os zeólitos têm a propriedade de trocar o sódio, que entra na sua composição, pelo cálcio ou magnésio dos sais presentes na água, acabando, assim com a dureza da mesma. Com a continuação do tratamento, eles se saturam, esgotando sua capacidade de remoção de dureza, porém podem ser recuperados para a função através de um processo utilizando sal de cozinha (cloreto de sódio). A Osmose Inversa é obtida através da aplicação mecânica de uma pressão superior à Pressão Osmótica do lado da solução mais concentrada. Essa tecnologia foi desenvolvida na década de 60, para a produção de água ultrapura, a ser utilizada em processos industriais, a partir de meados da década seguinte, surgindo, assim, comercialmente, a primeira geração de membranas. As suas principais vantagens foram a redução da necessidade de regeneração dos leitos de troca iônica e de consumo de resina, além de significativas reduções de despesas na operação e manutenção destes leitos. Uma chamada segunda geração de membranas, as membranas de película fina compostas, enroladas em espiral, foram inventadas em 1978, e introduzidas no mercado no início da década de 80. Estas membranas operam com baixa pressão e consequentemente com reduzido consumo de energia. OBS: A osmose é um fenômeno natural físico-químico. Quando duas soluções, com diferentes concentrações, são colocadas em um mesmo recipiente separado por uma membrana semipermeável, onde ocorre naturalmente a passagem do solvente da solução mais diluída para a solução mais concentrada, até que se encontre o equilíbrio. Neste ponto a coluna de solução mais concentrada estará acima da coluna da solução mais diluída. A esta diferença entre colunas de solução se denomina Pressão Osmótica. É o fenômeno fatal que ocorre com as bactérias quando usamos cloreto de sódio para conservação de certos produtos de origem animal. I.3.4. Acidez Quimicamente acidez é a capacidade de neutralização de soluções alcalinas, ou seja, é a capacidade da água em resistir às mudanças de pH em função da introdução de bases. Em geral a acidez está associada a presença de CO2 livre. A presença de ácidos orgânicos é mais comum em águas superficiais, enquanto que nas águas subterrâneas é menos frequente a ocorrência de ácidos em geral. Em algumas ocasiões as águas subterrâneas poderão conter ácido sulfúrico derivado da presença de sulfetos metálicos. Acidez, pH e alcalinidade estão intimamente interrelacionados. De um modo geral o teor acentuado de acidez pode ter origem na decomposição da matéria orgânica, na presença de gás sulfídrico, na introdução de despejos industriais ou passagens da água por áreas de mineração. Do ponto de vista de águas de abastecimento ou mesmo sanitário a acidez tem pouca importância. No campo do abastecimento de água o pH intervém na coagulação química, controle da corrosão, abrandamento e desinfecção. Águas com baixos valores de pH tendem a ser agressivas para instalações metálicas. O padrão de potabilidade em vigor no Brasil, preconiza uma faixa de pH entre 6,5 e 8,5. Normalmente a água apresenta-se boa para ingestão para pH na faixa de 5,5 a 8,0, sob a análise desta característica. I.3.5. Alcalinidade Quimicamente definindo alcalinidade é a propriedade inversa da acidez, ou seja, é a capacidade de neutralização de ácidos. Em geral a presença de alcalinidade leva a pH para valores superiores a 7,0, porém pH inferiores (acima de 4) não significa que não hajam substâncias alcalinas dissolvidas no meio aquoso. Os principais constituintes da alcalinidade são os bicarbonatos (HCO3- ), os carbonatos (CO32- ) e os hidróxidos (OH - ), cujas formas são função do pH. Para pH superiores a 9,4 tem- se dureza de carbonatos e predominantemente de hidróxidos. Entre pH de 8,3 e 9,4, predominam os carbonatos e ausência de hidroxilas. Para pH inferires a 8,3 e acima de 4.4 ocorre apenas dureza de bicarbonato. Abaixo de 4,4 não ocorre alcalinidade. De um modo geral as alterações de alcalinidade têm origem na decomposição de rochas em contato com a água, reações envolvendo o CO2 de origem atmosférica e da oxidação de matéria orgânica, além da introdução de despejos industriais. I.3.6. Sólidos A água com excessivo teor de sólidos em suspensão ou minerais dissolvidos tem sua utilidade limitada. Uma água com presença de 500ppm de sólidos dissolvidos, geralmente, ainda é viável para uso doméstico, mas provavelmente inadequada para utilização em muitos processos industriais. Água com teor de sólidos superior a 1000ppm torna-se inadequada para consumo humano e possivelmente será corrosiva e até abrasiva. De um modo geral todas as impurezas presentes na água, com exceção dos gases dissolvidos, têm sua origem nos sólidos incorporados ao seu meio. Devido a essa condição deve-se dar prioridade a análise deles, pois eu resultado pode direcionar todo o estudo de caracterização. São caracterizados como sólidos, todas as partículas presentes em suspensão ou em solução, sedimentáveis ou não, orgânicas ou minerais. A determinação da quantidade total de sólidos presentes em uma amostra é chamada de sólidos totais. A separação dos tipos de sólidos presentes na mistura é feita em laboratório e classificada da seguinte maneira : • Totais - massa sólida obtida com a evaporação da parte líquida da amostra a 103o a 105o C, em mg/l; • Minerais ou Fixos - resíduos sólidos retidos após calcinação dos sólidos totais a 500o C, em mg/l; • Orgânicos ou Voláteis - parcela dos sólidos totais volatilizada no processo de calcinação, em mg/l; • Em Suspensão ou Filtráveis e Não-filtráveis - quantidade de sólidos determinada com a secagem do material retirado por filtração da amostra, através de micromalha, de 0,45 F 0 6 Dm (mícron ou micrômetro), em mg/l; • Coloidais - fração dos sólidos composta de partículas com diâmetros equivalentes da ordem de 10-3 a 0,45 F 0 6 Dm; • Dissolvidos - fração dos sólidos composta de partículas com diâmetros equivalentes inferiores a 10 -3F 0 6 Dm. Para se ter uma ideia destas dimensões, as bactérias têm seu tamanho entre 0,5 e 5,0 F 0 6 Dm e o olho nu só é capaz de visualizar a partir da dimensão de 100 mícrons ou 0,1 milímetro. 1.3.7. Cloretos A presença de cloretos na água é resultante da dissolução de sais com íons de cloreto de sódio. É característica da água do mar, cujo teor se aproxima dos 20000ppm, entre eles o mais presente é o cloreto de sódio (ClNa) com cerca de 70% deste teor. A água de chuva, por exemplo, tem presença insignificante de cloretos (menos de 1%), exceto em regiões próximas ao litoral. De um modo geral a presença de cloretos tem origem na dissolução de minerais, contato com áreas de sal, mistura com a água do mar e introdução de águas residuárias domésticos ou industriais.. I.3.10.2. Dióxido de carbono O teor de gás carbônico, que geralmente é mais intenso em áreas cobertas com vegetação, é mais significativo em termos químicos na captação de águas subterrâneas com presença de carbonatos e bicarbonatos de cálcio. I.3.10.3. Gás sulfídrico Gás sulfídrico pode ser encontrado em águas subterrâneas, águas de fundos de lagos ou represas profundas ou em superficiais poluídas com esgoto e com deficiência de oxigênio dissolvido. Nestas condições bactérias anaeróbias ou facultativas redutoras de sulfatos produzem ácido sulfúrico que é corrosivo para uma grande variedade de materiais. É um composto de intenso e desagradável odor (fedor de ovo podre), bastando concentrações em torno de 0,5ppm para ser sentido. I.4. Qualidade natural Como já foi dito a qualidade da água pode ser função das diversas substâncias que se encontram em seu meio e os parâmetros que mostram as características de uma água pode ser de ordem física, química e bacteriológica. Na natureza tem uma qualidade inerente às condições naturais da bacia de drenagem, ou seja, tem uma qualidade existente, que nem sempre é adequada às condições de uso que se pretende. Assim a água natural tem de passar por uma transformação artificial até que atinja a qualidade desejável, de modo a se tornar utilizável. Aos processos de transformação artificial da qualidade existente para a desejável dá-se o nome de tratamento da água. 1.4.1. Potabilidade Uma água é dita potável quando é inofensiva a saúde do homem, agradável aos sentidos e adequada aos usos domésticos. Nestes termos, por exemplo, uma água quente, embora possa ser inofensiva a saúde, não pode ser considerada potável, da mesma maneira que uma água com elevado teor de dureza que, nestas condições, irá atrapalhar significativamente o desempenho das tarefas domésticas. É importante para que uma água seja considerada potável, que na fase de tratamento eliminem-se todas as substâncias originalmente presentes que lhe confiram algum gosto ou cheiro peculiar. Paralelamente também não devem resultar alguma turbidez ou cor visuais. I.4.2. Padrões de potabilidade Uma água é dita potável quando é inofensiva a saúde do homem, agradável aos sentidos e adequada aos usos domésticos. Nestes termos, por exemplo, uma água quente, embora possa ser inofensiva a saúde, não pode ser considerada potável, da mesma maneira que uma água com elevado teor de dureza que, nestas condições, irá atrapalhar significativamente o desempenho das tarefas domésticas. É importante para que uma água seja considerada potável, que na fase de tratamento eliminem-se todas as substâncias originalmente presentes que lhe confiram algum gosto ou cheiro peculiar. Paralelamente também não devem resultar alguma turbidez ou cor visuais. Definem-se como padrões de potabilidade os limites de tolerância das substâncias presentes na água de modo a garantir-lhe as características de água potável. De um modo geral os padrões de potabilidade tornam-se mais rigorosos com o passar dos anos, visto que novas técnicas de tratamento e a evolução das tradicionais, associadas a novas descobertas científicas, principalmente no trato com as doenças transmissíveis através da água ou que têm nela uma parte de seu ciclo, vão permitindo este desenvolvimento. Também é de se esperar que em países mais desenvolvidos, estes padrões sejam mais rigorosos, considerando a maior disponibilidade de recursos e o maior domínio de tecnologias apropriadas. Em linhas gerais estes padrões são físicos (cor, turbidez, odor e sabor), químicos (presença de substâncias químicas) e bacteriológicos (presença de microrganismos vivos). Normalmente as legislações específicas de cada região ou país, regem-se pelas recomendações da Organização Mundial de Saúde (OMS). 1.4.3. Portaria Ministerial No Brasil os padrões de potabilidade são definidos pelo Ministério da Saúde, na PORTARIA N.º 1469, DE 29 DE DEZEMBRO DE 2000 e a mais recente foi publicada no dia 19 de janeiro de 2001. Essa portaria estabelece os procedimentos e responsabilidades relativos ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade, e dá outras providências. Com esta Portaria o Brasil definiu novo padrão de potabilidade para a água a ser consumida pela população. A partir de 2001, as empresas responsáveis pela captação, tratamento e abastecimento terão que estar mais atentas aos parâmetros de qualidade exigidos no Brasil. Umas das novidades é que a nova portaria facilita para o consumidor o monitoramento da qualidade da água consumida no domicílio. Isso porque será obrigatório para as empresas de abastecimento o envio, para os consumidores, de um relatório anual sobre a qualidade da água oferecida. As empresas também deverão facilitar o acesso às informações sobre a água distribuída, possibilitando a consulta pública. A revisão da portaria teve por base critérios de qualidade da água estabelecidos pela Organização Mundial da Saúde (OMS), além de normas dos órgãos de controle de qualidade da água dos Estados Unidos e Canadá, entre outras contribuições. O texto final da portaria foi aprovado pelo Ministério da Saúde e pela Comissão Intergestores Tripartite e é resultado de discussões realizadas entre os técnicos da Fundação Nacional de Saúde - FUNASA, órgão executivo do Ministério da Saúde, com o apoio da Organização Pan-americana de Saúde (OPAS) e dos seguintes órgãos e entidades: associações de empresas estaduais, municipais e de profissionais de saneamento (AESBE, ABES E ASSEMAE); Secretaria de Desenvolvimento Urbano (SEDU), Conselhos Nacionais de Saúde e de Meio Ambiente (CNS e CONAMA); Ministério Público; Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA); Secretarias Estaduais e Municipais de Saúde; Agência Ambiental Americana (EPA/USA); Universidade de Adelaide (Austrália) e universidades brasileiras. As alterações mais relevantes em relação aos parâmetros anteriormente estabelecidos foras as seguintes: • Definição dos deveres e das responsabilidades do nível federal, estadual e municipal da qualidade da água para consumo humano; • Inclusão de mecanismos que possam impedir o uso de substâncias que, se presentes na água de consumo, mostram-se danosas à saúde humana; • Valorização dos direitos do consumidor por intermédio da divulgação de informações sobe a qualidade da água consumida; • Inclusão de definições de responsabilidades para os sistemas com gestões públicas ou privadas, com relação ao fornecimento, captação, tratamento, controle e vigilância da qualidade da água de consumo humano; • Retirada do rol de produtos a serem analisados, para detecção de resíduos, de alguns agrotóxicos que não são mais comercializados e outros proibidos de comercialização; • Inclusão na listagem de produtos a serem analisados, para detecção de resíduos, de agrotóxicos desenvolvidos mais recentemente e comercializados sem que existisse, até o momento, a obrigação do seu controle por parte dos prestadores de serviços de abastecimento de água e a vigilância por parte do Setor Saúde; • Aumento no número de parâmetros do padrão de potabilidade para substâncias químicas que representam riscos à saúde, de 50 para 76, visando a melhoria da qualidade da água para consumo humano; • Estabelecimento de limites de tolerância para organismo humano das cianobactérias (algas azuis) encontradas na água de consumo humano. I.4.4. Teor da Portaria do Ministério da Saúde Ver anexo I ou Clique aqui para ler e/ou copiar o teor completo da Portaria n.º 1469/00 com seus Anexos. I.4.5. Componentes a) Componentes organolépticos A cor existe devido à presença de material corante dissolvido na água. A cor natural da água em geral resulta da decomposição de material orgânico de origem vegetal e normalmente quando é desta natureza, não apresenta riscos à saúde. Porém quando esta cor for originada da presença de resíduos provocados pela atividades humanas, como de despejos industriais por exemplo, pode ser tóxica. O sabor é a combinação entre o gosto (salgado, doce, azedo e amargo) e o odor (cheiro). Não apresenta riscos para saúde, mas os consumidores podem questionar sua confiabilidade. A turbidez é resultante da presença de partículas sólidas em suspensão na água e representa, pois, o grau de interferência com a passagem da luz através da água. Não apresenta inconvenientes sanitários diretos, mas é esteticamente desagradável e os sólidos suspensos que são os responsáveis pela turbidez podem servir de abrigo para organismos patogênicos. Algumas substâncias ferem o senso estético, motivam desconforto ou causam problemas de outra natureza. Exemplos: • o ferro e o manganês causam manchas nos tecidos e objetos de porcelana, e prejudicam a produção de papel; • os sulfatos produzem efeitos laxativos; • a dureza pode causar odor desagradável, reduzir a formação de espuma, aumentando assim o consumo de sabão, e causar incrustações em tubulações de água quente como em caldeiras e aquecedores. b) Componentes inorgânicos Uma grande parte dos compostos inorgânicos é proveniente de atividades industriais, atividades mineradoras, garimpos e de agrotóxicos, sendo tóxicos e prejudiciais à saúde. Entre eles destacam-se os metais pesados como o arsênio, o chumbo, o mercúrio e a prata. c) Componentes orgânicos Uma grande parte destes compostos, mesmo em reduzidas quantidades, está associada a problemas de toxidade. São provenientes de atividades industriais, dos detergentes, do processamento e refinamento de petróleo e dos defensivos agrícolas (agrotóxicos). d) Características bacteriológicas Os coliformes são grupos de bactérias que servem como organismos indicadores de contaminação da água por fezes. São utilizados como uma forma de detectar a existência de organismos patogênicos (que causam doenças) em amostra de água. • saturnismo (envenenamento cumulativo por chumbo); • ancilostomose (provocada pelo nematódeo Ancylostoma duodenale ou Necator americanus, doença conhecida como amarelão); • esquistosomose (do Schistosoma, nematódeo que tem o caracol como hospedeiro intermediário deste parasito do intestino e de veia porta); • poliomielite, hepatite (inflamações provenientes de Vírus, cujo exato modo de transmissão ainda é desconhecido, sendo encontrados nos efluentes de tratamentos biológicos de esgotos); • solitária (parasito do intestino que usa hospedeiros intermediários e tem ovos muito resistentes, sendo a Taenia linnaeus do porco e a Taenia sagnata do boi, presentes nos efluentes de esgotos e transmitido por águas poluídas); • leptospirose ou Doença de Weil (transmitida por ratos de esgotos, portadores da Leptospira Iceterohaemorrhagie); • tuberculose (do Mycrobacterium tuberculosis - encontrado em despejos de esgotos e rios poluídos, devendo-se ter cuidados com esgotos e lodos provenientes de sanatórios), • infecções generalizadas (Salmonella - envenenamento através da alimentação, comum em esgotos e efluentes). Exercício: Definir algas, protozoários, bactérias, bacilos e vibriões; fungos, vírus, vermes e larvas; micróbios e microrganismos; albuminoides e coloides. II.3.4. Ganhos econômicos O consumo de água saudável implica em menores possibilidades de pessoas doentes na comunidade, ou mesmo períodos mais curtos para recuperação de pessoas enfermas. Consequentemente, ter-se-á: • uma maior vida média por pessoa; • menor índice de mortalidade (principalmente mortalidade infantil); • maior produtividade (as pessoas terão mais disposição para trabalhar); • mais horas de trabalho (menos horas de internações ou de repousos domésticos devido a enfermidades infecciosas e/ou contagiosas). II.3.5. Usos da água No dia a dia das comunidades urbanas o abastecimento de água deve suprir as diversas modalidades de consumo. O destino da água distribuída, em geral, é o seguinte: • uso doméstico (bebida, banhos, limpezas em geral); • gasto público (edifícios públicos, fontes ornamentais, proteção contra incêndios); • consumo comercial e industrial (unidades comerciais, consumo industrial, centrais de condicionamento de ar); • perdas e desperdícios (deficiências das instalações e má utilização). Define-se como perda aquela água que não alcança os pontos de consumo por deficiências ou problemas do sistema, por exemplo, vazamentos na rede, extravasão em reservatórios, rompimento de adutoras, etc. Considera-se como desperdício a água que é má utilizada pelo consumidor, ou seja, que não é empregada nas finalidades que se destina, por exemplo, uma torneira aberta sem necessidade, uma caixa extravasando continuamente, aguamento displicente de ruas frontais a edificação, etc. A perda caracteriza-se por ser de responsabilidade do sistema, encarecendo o preço médio da conta dos usuários, enquanto que o desperdício é de responsabilidade do consumidor que arcará individualmente com seus custos. Em condições ideais a soma perda-desperdício deveria ser nula, mas é normal atingir 20% e não é novidade que este valor chegue aos incríveis 60% do total captado em nossos sistemas. II.3.6. Fatores que influem no consumo O volume de água em uma comunidade dependerá de uma série de circunstâncias que farão com que este valor seja mais ou menos intenso. Os mais notáveis são: • características da população (hábitos higiênicos, situação econômica, educação sanitária); • desenvolvimento da cidade; • presença de indústrias; • condições climáticas; • características do sistema (quantidade e qualidade da água, sistemas de medição, pressão na rede etc); A repetição de procedimentos higiênicos ao longo do dia, bem como a condição financeira para pagar uma conta mais alta de água consumida, aumenta a demanda de água. As cidades quanto mais desenvolvidas, mais áreas ajardinadas terão, assim como mais carros, mais edifícios públicos, maiores possibilidades de incêndios, etc., que elevam o consumo. A presença industrial, principalmente de processos de transformação que utilizam água no processamento e no produto final (fabricação de bebidas, por exemplo) também será um fator de elevação do consumo médio. Quanto às condições climáticas há uma tendência de redução de consumo nos períodos mais frios e aceleração a medida que a temperatura da estação aumenta. O fornecimento contínuo de água bem como a boa qualidade da mesma, são fatores que favorecem a demanda, considerando que sempre que se precisar de água ela esteja disponível, o que é a situação inversa de quando o fornecimento não é regular. As condições de pressão na rede também são importantes visto que quanto maior for a pressão, maior será a vazão fornecida por peças sanitárias idênticas. Por outro lado a instalação de medidores de consumo nos ramais prediais são, certamente, instrumentos de inibição do consumo do usuário. II.3.7. Abastecimento convencional São as seguintes as unidades de um sistema convencional de : Captação, Adução, Tratamento, Reservação e Distribuição (Figura II.1). • Captação: estrutura para retirada de água do manancial abastecedor (fonte de onde se retira a água); • Adução: canalização de transporte da água entre as diversas unidades do sistema; • Tratamento: retirada das impurezas indesejáveis ao emprego final da água; • Reservação: armazenamento dos excessos de água para compensações de equilíbrio, de emergência ou acidental e anti-incêndio; • Distribuição: condução através de canalizações (rede de tubulações) até os pontos de consumo (ramais prediais) Figura II.1 - Esquema de um sistema convencional de abastecimento de água urbano II.3.8. Consumo de água II.3.8.1. Per capita médio "q" É a relação entre o volume de água distribuído na comunidade e a população consumidora (inclui demandas comercial, pública, de indústrias que não consomem volume significativo de água no seu processamento e perdas). Na elaboração de projetos de sistemas de abastecimento, caso não haja estudos preliminares que indiquem valores específicos, é frequente o empregos de per capitas médios nos seguintes intervalos: • Se P F 0 A 3 10 000 habitantes F 0 A E 150 F 0 A 3 q F 0 A 3 200 l/hab.dia; • Se 10 000 F 0 A 3 P F 0 A 3 50 000 hab F 0 A E 200 F 0 A 3 q F 0 A 3 250 l/hab.dia; • Se P for superior a 50 000 habitantes F 0 A E qmín = 250 l/hab.dia; • População temporária F 0 A E q = 100 l/hab.dia; • Chafariz F 0 A EF 0 2 030 l/hab.dia. II.3.8.2. Variação no consumo Sabemos que ao longo do ano o consumo varia dia após dias, sendo bastante raciocinarmos em termos das variações climáticas. Assim sendo teremos dias de consumo maiores que o médio e, consequentemente, dias de menor demanda, resultando em que teremos um valor médio diário, um dia de maior demanda e um dia de menor volume consumido. Para determinação dos valores médio, mínimo e máximo do consumo empregam-se as seguintes expressões: • Consumo médio: P.q; • Consumo máximo diário: K1.P.q, onde K1 é a relação entre o dia de maior demanda no ano e o consumo médio diário, em geral adotado entre 1,20 e 1,50; FIG. II.2 - Curva logística de crescimento de população Deve-se observar, no entanto, que o progresso técnico pode alterar a população máxima prevista para um determinado conglomerado urbano, sendo um complicador a mais a ser avaliado em um estudo para determinação do crescimento da população. Para aplicação da equação Eq. 4.5 deve-se dispor de três dados de populações correspondentes a três censos anteriores recentes e equidistantes, ou seja, três pares (T1,P1), (T2,P2) e (T3,P3) de modo que (T3 - T1 ) = 2 (T2 - T1) , P1 < P2 < P3 e P22 > P3 . P1. Feitas essas verificações calculam-se Ps = [ P22. (P1 + P3) - 2.P2. P1. P3 ]/ [ P22 - P1. P3] , Eq. II.7 a = ln[ (Ps - P1)/P1], Eq. II.8 b = [ 1 / (T2 - T1)]. ln{[ P1(Ps - P2 )] / [ P2 (Ps - P1)]} Eq. II.9 e = 2,718281828, base neperiana. Por exemplo, se para uma cidade fictícia os resultados dos últimos três censos registrassem o seguinte quadro: Ano do censo População ( hab ) 1970 274 403 1980 375 766 1990 491 199 então, T3- T1= 2 ( T2 - T1 ), ou seja, 1990 - 1970 = 2 ( 1980 - 1970 ) e P22 > P1.P3, isto é, 375 7662 = 1,412. 1011 > 274 403 x 491 199 = 1,348. 1011, o que permite a aplicação do método da curva logística. Sendo assim, pode-se calcular a população de saturação Ps habitantes, e ainda De acordo com os parâmetros encontrados pode-se verificar, por exemplo, a população para a) F 0 4 4t = 0 (Observar que neste método F 0 4 4t é igual a Tn - T1) 274 433 habitantes equivale a P1 (mostrando que o estudo de projeção indica a população inicial); b) F 0 4 4t = 20 anos 490 612 habitantes equivale, pois, a população P3; c) F 0 4 4t = 50 anos (30 anos após o último censo) 817 249 habitantes é resultado previsto pelo método após os próximos 30 anos, além do último censo; d) F 0 4 4t = futuro infinito , correspondendo à população de saturação calculada de 1 065 625 habitantes. Além desses três métodos de crescimento ditos matemáticos convencionais, o projetista poderá criar outras expressões que o mesmo achar mais conveniente e justificável como, por exemplo, relacionar o crescimento da cidade com o crescimento do estado, com o crescimento de empregos, etc. Também poderá lançar mão de métodos gráficos como o simples traçado de uma curva arbitrária que se ajuste aos dados já observados sem a preocupação de estabelecimento de uma expressão matemática para a mesma. Este método é denominado de prolongamento manual ou extrapolação gráfica. Outro método frequentemente mencionado na literatura sobre o assunto é o método gráfico denominado comparativo. O mesmo consiste na utilização de dados censitários de cidades nas mesmas condições geográficas e econômicas que a cidade em previsão e que já tenham população superior a esta. Admite-se, então, que a cidade em análise deverá ter um crescimento análogo às maiores em comparação. Colocando-se os dados de população em um sistema de eixos cartesianos tempo x população e transportando-se para o ponto referente a população atual da cidade em estudo, paralelas às curvas de crescimento das cidades em comparação, a partir do ponto onde tais cidades tinham a população atual da cidade em previsão, obtém-se um feixe de curvas cuja resultante média considera-se como a curva de previsão para a cidade menor ( Fig. II.3 ). FIG. II.3 - Curvas comparativas OBS: Em termos de normalização a NB-587/89-ABNT, prevê para estimativa de população a aplicação de modelos matemáticos (mínimos quadrados) aos dados censitários do IBGE. II.3.9..3. População Flutuante Em certas cidades, além da população residente, o número de pessoas que a utilizam temporariamente é‚ também, significativo e tem que ser considerado no cálculo para determinação das vazões. É o caso de cidades balneárias, estâncias climáticas, estâncias minerais, etc. Esta população é denominada de população flutuante. Da mesma maneira que é feito para a população fixa, também estudos deverão ser desenvolvidos para que a população flutuante seja determinada. II.3.9.4. Densidade Demográfica Deve-se salientar que os valores das populações de projeto têm como objetivo inicial a determinação das etapas de construção de forma a proporcionar um cronograma de execuções técnica e financeiramente viável. É importante, também, citar que para uma mesma cidade pode-se ter contribuições diferentes em áreas de mesma dimensão. Esse fenômeno torna-se mais significativo quanto maior for a cidade e mais diversificada for sua estrutura econômico-social. Também é de esperar que em áreas periféricas o crescimento das cidades tende a ser horizontal enquanto nas áreas centrais este crescimento, caso ocorra, será na vertical. É possível também se deparar com situações onde não haja necessidade de preocupações com variações de populações ao longo do tempo e do espaço. Por exemplo, o caso da elaboração de um projeto de um sistema de abastecimento de água para um conjunto habitacional com edificações padrão. Neste caso ter-se-ia, teoricamente, a ocupação imediata e, logicamente, sem previsão de modificações futuras significativas no citado complexo urbano. CAPÍTULO III - REVISÃO DE HIDRÁULICA III.1. CLASSIFICAÇÃO DOS MOVIMENTOS A Hidráulica é o ramo das ciências físicas que tem por objetivo estudar os líquidos em movimento. Se um líquido escoa em contato com a atmosfera diz-se que ele está em escoamento livre e quando escoa confinado em um conduto de seção fechada com pressão diferente da atmosférica, então tem-se um escoamento forçado ou sob pressão. Quando o movimento desenvolve-se de tal maneira que as partículas traçam trajetórias bem definidas no sentido do escoamento, define-se um movimento laminar ou viscoso e quando não há definição das trajetórias das partículas, embora com certeza haja escoamento, temos o movimento turbulento ou hidráulico, que é a situação mais natural. É de fundamental importância, também, a classificação dos movimentos quanto aos regimes de escoamento, a saber, permanente e variado. No permanente as características do escoamento não variam ao longo do tempo na seção em estudo. Se além de não se alterarem ao longo do tempo, estas condições também permanecerem inalteradas ao longo da canalização, o regime é denominado de permanente e uniforme. Isto ocorre, por exemplo, em adutoras de seção molhada contínua, com 24 horas de funcionamento diário. Quando as características variarem ponto a ponto, instante a instante, o escoamento é dito variado, ou seja, a vazão variando no tempo e no espaço. Este é o escoamento típico de um curso d’água natural. No variado, conforme a oscilação da velocidade de escoamento ao longo do conduto e com o tempo, pode ainda ser classificado como acelerado, quando a velocidade aumenta com o tempo (rio em cheia crescente), ou retardado, quando em ritmo contrário (canal baixando continuamente de nível). III.2. EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE É a equação que mostra a conservação da massa de líquido no conduto, ao longo de todo o escoamento. Isto quer dizer que em qualquer seção transversal da canalização o produto F 0 7 2.A.V será constante, sendo "F 0 7 2" a densidade do líquido. Desprezando-se a compressibilidade da água temos para as n seções do escoamento A1.V1 = A2.V2 = ...... = An.Vn = Q , Eq. III.1 onde, Q = a vazão em estudo; Ai= a área da seção molhada em "i"; Vi= a velocidade de escoamento pela mesma seção. III.3. EQUAÇÃO DA ENERGIA A energia presente em um fluido em escoamento pode ser separada em quatro parcelas, a saber: energia de pressão (piezocarga); energia cinética (taquicarga); energia de posição (hipsocarga); energia térmica. Partindo do princípio da conservação de energia, para duas seções transversais em dois pontos distintos, 1 e 2 do escoamento (Fig.III.1), estas parcelas podem ser agrupadas da seguinte forma: Eq. III.2 que é conhecida como teorema de Bernoulli para fluidos reais, onde p = pressão, Kgf/m²; F 0 6 7 = peso específico, Kgf/m³; v = velocidade do escoamento, m/s; g = aceleração da gravidade, m/s²; Z = altura sobre o plano de referência, m; hf = perda de energia entre as seções em estudo, devido a turbulência, atritos etc, denominada de perda de carga, m; F 0 6 1 = fator de correção de energia cinética devido as variações a de velocidade na seção. NOTA: Daniel Bernoulli, 1700-1782, cientista suíço de Gröningen, criador da Física Matemática juntamente com o alemão Leonard Euler, 1707-1783, e os franceses Alexis Claude Clairaut, 1713-1765, e Jean le Rond d'Alembert, 1717-1783. NOTA: O fator foi introduzido na hidráulica pelo professor francês, nascido em Paris, Gaspard Gustave de Coriolis (1792 - 1843) e é, por esta razão, denominado de coeficiente de Coriolis. Um compatriota e contemporâneo de Coriolis, Pierre Vautier (1784 - 1847), professor e engenheiro naval nascido em Bolongne, dirimindo dúvidas do próprio Coriolis, concluiu que F 0 6 1F 0 A 0 não era uma constante, decrescendo com o crescimento da velocidade média, sendo igual a 2,0 no fluxo laminar e 1,10 a 1,01 no hidráulico ou turbulento, embora nesta situação, na prática, possamos trabalhar com F 0 6 1F 0 2 0igual a 1,00, segundo o mesmo Vautier. A soma das parcelas z + (p/F 0 6 7 ) + (F 0 6 1F 0 2 0. v2/2g) é denominada de energia mecânica do líquido por unidade de peso. Portanto, a energia mecânica de um líquido sempre estará sob uma ou mais das três formas citadas. válida para 105 < NR < 3,4.106. Para NR < 105, f = 0,3164/ NR 0,25, que é conhecida como curva de Blausius . Estas expressões mostram que na condição de tubo liso não há influência da rugosidade no escoamento e, consequentemente, na determinação da perda de carga. NOTAS: - Ludwig Prandtl (1875-1953) doutor alemão em engenharia mecânica, nascido em Munique, Alemanha; - Theodore von Kármán (1881-1963) engenheiro húngaro naturalizado americano, nascido em Budapeste, doutor pela Universidade de Göttingen; - Paul Richard Heinrich Blausius (1883 - 1970), engenheiro hidráulico alemão nascido em Berlim. Para tubos rugosos (KF 0 2 0F 0 B 3F 0 2 08F 0 6 4) funcionando na zona de completa turbulência, situação onde a rugosidade das paredes interfere diretamente na turbulência do escoamento, NRF 0 B 3F 0 2 04000 (as tubulações de sistemas de abastecimento de água normalmente trabalham, quando em máxima vazão, com NR 100 000) é comum utilizar-se da expressão de Kármán-Prandtl, Eq. III. 6 apresentada em 1935 por Kármán e por Prandtl. Nesta situação as perdas são devidas essencialmente a rugosidade relativa, isto é, as condições internas de turbulência no líquido não têm influência na determinação do coeficiente f. Para escoamentos não laminares na zona de transição, F 0 6 4/3 < K < 8F 0 6 4 , o valor de f pode ser determinado utilizando-se da expressão semiempírica de Colebrook-White, divulgada em 1938, Eq.III.7 onde K é a rugosidade equivalente, ou seja, tamanho das asperezas, e K/D é a rugosidade relativa, grandeza esta de grande significado para se analisar a confiabilidade de uma expressão para cálculo das perdas. Verifica-se que neste intervalo o coeficiente depende das condições do escoamento e da rugosidade. Essa equação tem uma abrangência maior que a inicialmente proposta, pois para tubos lisos a parcela da rugosidade relativa torna-se insignificante e a equação tende para a Eq.5 e para tubos rugosos com alta turbulência (NR muito grande!) a segunda parcela tende a zero e a equação para Eq.6. Assim por sua abrangência e acuracidade passou a se denominar de expressão universal para o cálculo da perda de carga. Ela tende a se generalizar, inclusive sendo a fórmula trabalhada pelas normas oficiais da ABNT (o que é bastante questionável da parte desta associação normativa impor uma expressão ao calculista), embora muitos engenheiros sintam- se hesitantes quanto partem para a determinação dos valores reais de K, principalmente quando as paredes internas das tubulações são passíveis de sofrer efeitos de tuberculização ou incrustações. Devido a complexidade da equação universal (f nos dois membros da equação) Moody propôs a seguinte expressão alternativa: Eq. III. 8 que oferece resultados de 5% em relação a anterior no intervalo entre 4000 < NR < 107. NOTA: A fórmula de Colebrook mostra que na situação de turbulência os valores de "f" tornam-se mais difíceis de serem determinados, sendo que frequentemente recorre-se a diagramas específicos como, por exemplo, o denominado Diagrama Universal de Moody publicado em 1939 pelo engenheiro americano Lews Ferry Moody (1880-1953), baseado nas experiências de Johann Nikuradse (1894-1979) divulgadas em 1933, na Alemanha, na análise matemática de L. Prandtl (1875-1953) e de T. Kárman (1881-1963), nas observações de Colebrook e White e em experiências próprias do autor com tubulações industriais. Também são comumente empregados os diagramas Rouse (Hunter Rouse, 1906-1996, Professor do The Iowa Institute of Hydraulic Research, IIHR). Cyril F. Colebrook e Cedric M. White, foram dois professores e pesquisadores em hidráulica do Imperial College de Londres, que construíram, a partir do trabalho de Prandtl e seus estudantes, a famosa equação de Colebrook-White, também conhecida como equação universal de perda de carga. As famosas experiências de Nikuradse, em que longos tubos cilíndricos revestidos internamente com papel ao qual se faziam aderir grãos de areia em camadas uniformes variando, assim, artificialmente a rugosidade interna das paredes, também mostraram que para cada conduto existem dois números de Reynolds, NR1 e NR2, de modo que quando NR < NR1 o conduto é hidraulicamente liso e quando NR > NR2 o conduto é hidraulicamente rugoso. Com base em suas conclusões Nikuradse propôs, por exemplo, para tubos lisos e NR < 3,4.106: f = 0,0032 + 0,221. NR - 0,232 Eq. III.9 TABELA III.1 - Rugosidade Uniforme Equivalente "K " (em mm) para tubos Identificação K (mm) 1. TUBO DE AÇO: Juntas soldadas e interior contínuo 1.1. Grandes incrustações ou tuberculizações 2,4 a 12,0 1.2. Tuberculização geral de 1 a 3mm 0,9 a 3,4 1.3. Pintura a brocha, com asfalto, esmalte ou betume em camada espessa 0,6 1.4. Leve enferrujamento 0,25 1.5. Revestimento obtido por imersão em asfalto quente 0,1 1.6. Revestimento com argamassa de cimento obtido por centrifugação 0,1 1.7. Tubo novo previamente alisado internamente e posterior revestimento de esmalte, vinil ou epoxi, obtido por centrifugação 0,06 Identificação K (mm) 2. TUBO DE CONCRETO 2.1. Acabamento bastante rugoso: executado com formas de madeira sem acabamento, desgastado pela erosão ou com juntas má alinhadas 2,0 2.2. Acabamento rugoso: marcas visíveis das formas 0,5 2.3. Superfície interna alisada com desempenadeira e juntas bem acabadas 0,3 2.4. Superfície obtida por centrifugação 0,33 2.5. Tubo de superfície interna lisa, executado com formas metálicas, acabamento médio e juntas bem cuidadas 0,12 2.6. Tubo de superfície interna lisa, executado com formas metálicas, acabamento esmerado e juntas cuidadas 0,06 Identificação K (mm) 3. TUBO DE CIMENTO AMIANTO 3.1. Qualquer 0,1 Identificação K (mm) 4. TUBO DE FERRO FUNDIDO NOVO 4.1. Revestimento interno com argamassa de cimento e areia obtido por centrifugação com ou sem proteção de tinta a base de betume 0,1 4.2. Não revestido 0,15 a 0,6 4.3. Leve enferrujamento 0,3 Identificação K (mm) 5. TUBOS DE PLÁSTICO 5.1. Qualquer 0,06 450 - 600 100 30 anos 100 65 100 - 200 74 225 - 400 80 450 - 600 85 Aço sem revestimento, rebitado Novo 100 107 100 - 200 110 225 - 400 113 450 - 600 115 Usado 100 89 100 - 200 93 225 - 400 96 450 - 600 100 Ferro fundido cimentado Cimento amianto Concreto Novo 100 120 100 - 200 130 225 - 400 136 450 - 600 140 Aço revestido Concreto 500 - 1000 135 1000 140 Plástico (PVC) usado 50 125 60 - 100 135 125 - 350 140 Manilha cerâmica Nova ou Usado 100 107 100 - 200 110 225 - 400 113 CAPÍTULO IV - CAPTAÇÃO IV.1. FONTES DE ÁGUA PARA ABASTECIMENTO O homem possui dois tipos de fontes para seu abastecimento que são as águas superficiais (rios, lagos, canais, etc.) e subterrâneas (lençóis subterrâneos). Efetivamente essas fontes não estão sempre separadas. Em seu deslocamento pela crosta terrestre a água que em determinado local é superficial pode ser subterrânea em uma próxima etapa e até voltar a ser superficial posteriormente. As águas de superfície são as de mais fácil captação e por isso havendo, pois, uma tendência a que sejam mais utilizadas no consumo humano. No entanto temos que menos de 5% da água doce existente no globo terrestre encontram-se disponíveis superficialmente, ficando o restante armazenado em reservas subterrâneas. Logicamente que nem toda água armazenada no subsolo pode ser retirada em condições economicamente viáveis, principalmente as localizadas em profundidades excessivas e confinadas entre formações rochosas. Quanto a sua dinâmica de deslocamento as águas superficiais são frequentemente renovadas em sua massa enquanto que as subterrâneas podem ter séculos de acumulação em seu aquífero, pois sua renovação é muito mais lenta pelas dificuldades óbvias, principalmente nas camadas mais profundas. IV.2. TIPOS DE MANANCIAIS A captação tem por finalidade criar condições para que a água seja retirada do manancial abastecedor em quantidade capaz de atender o consumo e em qualidade tal que dispense tratamentos ou os reduza ao mínimo possível. É, portanto, a unidade de extremidade de montante do sistema. Chama-se de manancial abastecedor a fonte de onde se retira a água com condições sanitárias adequadas e vazão suficiente para atender a demanda. No caso da existência de mais de um manancial, a escolha é feita considerando-se não só a quantidade e a qualidade mas, também, o aspecto econômico, pois nem sempre o que custa inicialmente menos é o que convém, já que o custo maior pode implicar em custo de operação e manutenção menor. Na escolha de manancial, também se deve levar em consideração o consumo atual provável, bem como a previsão de crescimento da comunidade e a capacidade ou não de o manancial satisfazer a este consumo. Todo e qualquer sistema é projetado para servir, por certo espaço de tempo, denominado período de projeto. Estes reservatórios podem dos seguintes tipos: superficiais (rios e lagos), subterrâneos (fontes naturais, galerias filtrantes, poços) e águas pluviais (superfícies preparadas). Embora, como citado anteriormente, os mananciais de superfície pareçam de mais fácil utilização, as águas subterrâneas são aproveitadas desde a antiguidade. Egípcios e chineses já eram peritos na escavação do solo com a finalidade exclusiva de obterem água, a mais de 2000 anos antes de Cristo. A própria Bíblia Sagrada do Cristianismo revela fatos como o bíblico poço de José, no Egito, com cerca de 90 metros de profundidade cavado na rocha, e o gesto de Moisés criando uma fonte na rocha. IV.3. ÁGUAS SUPERFICIAIS Devido a água ser essencial para subsistência humana (nosso organismo necessita ser reabastecido com cerca de 2,5 litros desse líquido por dia) normalmente temos as comunidades urbanas formadas às margens de rios ou desembocaduras destes. Quando estudamos dados geográficos ou históricos das grandes cidades percebemos sua associação com um ou mais rios, por exemplo, Londres-Tâmisa, Paris-Sena, Roma-Pó, Lisboa-Tejo, Nova Iorque-Hudson, Buenos Aires-Prata, São Paulo-Tietê, Recife-Capibaribe/Beberibe, Manaus-Negro, Belém-Amazonas, Teresina-Parnaíba, Natal-Potengi, etc. Ruínas de comunidades de mais de 5000 anos, escavadas na Índia, revelaram a existência de sistemas de abastecimento de água e de drenagem construídos com alvenaria de pedras trabalhadas, que incluíam inclusive piscinas para banhos coletivos e práticas de natação. Os egípcios, também por volta de 3000 anos antes de Cristo, já construíam barragens de pedras com até mais de dez metros de altura para armazenamento de água potável para abastecimento doméstico e irrigação. Também historicamente é registrado que o rei Salomão, biblicamente famoso, promoveu de forma intensa a construção de aquedutos. Agricultores árabes aproveitavam as águas armazenadas em crateras de vulcões extintos como reservatórios para irrigação. IV.3.1. Condições para captação IV.3.1.1. Condições a serem analisadas As águas superficiais empregadas em sistemas de abastecimento geralmente são originárias de um curso de água natural. Opções mais raras seriam captações em lagos naturais ou no mar com dessalinização posterior. As condições de escoamento, a variação do nível d’água, a estabilidade do local de captação, etc, é que vão implicar em que sejam efetuadas obras preliminares a sua captação e a dimensão destas obras. Basicamente as condições a serem analisadas são: • quantidade de água; • qualidade da água; • garantia de funcionamento; • economia das instalações; • localização. IV.3.1.2. Quantidade de água São três as situações que podemos nos deparar quando vamos analisar a quantidade de água disponível no possível manancial de abastecimento: • a vazão é suficiente na estiagem; • é insuficiente na estiagem, mas suficiente na média; • existe vazão, mas inferior ao consumo previsto. A primeira situação é a ideal, pois, havendo vazão suficiente continuamente, o problema seguinte é criar a forma mais conveniente de captação direta da correnteza. Esta é a forma mais comum onde os rios são perenes (ou perenizados artificialmente). A segunda hipótese significa que durante determinado período do ano não vamos encontrar vazão suficiente para cobertura do consumo previsto. Como na média a vazão é suficiente, então durante o período de cheias haverá um excesso de vazão que se armazenado adequadamente poderá suprir o deficit na estiagem. Este armazenamento normalmente é conseguido através das barragens de acumulação que são reservatórios construídos para acumularem um volume tal que durante a estiagem compensem as demandas com o volume armazenado em sua bacia hidráulica. Esta é a forma mais frequente para sistemas com vazões de consumo para comunidades superiores a 5000 habitantes, no interior do Nordeste Brasileiro, onde é comum o esvaziamento completo dos rios nos períodos de seca. A terceira situação é a mais delicada quanto ao aproveitamento do manancial. Como não temos vazão suficiente, a solução mais simplista é procurarmos outro manancial para a captação. Se regionalmente não podemos contar com outro manancial que supra a demanda total, então poderemos ser obrigados a utilizarmos mananciais complementares, ou seja, a vazão a ser fornecida pelo primeiro não é suficiente, mas reunida com a captada em um manancial complementar (ou em mais de um) viabiliza-se o abastecimento, dentro das condições regionais. É a situação mais comum no abastecimento dos grandes centros urbanos. b) Margens sujeitas a erosão c) Margens instáveis d) Leitos rochosos com lâmina líquida muito baixa e) Leitos arenosos com lâmina líquida muito baixa 1- Barramento com enrocamento 2- Barramento com vertedouro móvel vertedor com placa móvel estreitamento vertedor com crivo placa móvel f) Leitos arenosos com areia em suspensão IV.3.2.5. Captação em reservatórios de acumulação Se há necessidade de reservatório de acumulação significa haver variação do nível da água na captação, pois durante o período de estiagem a vazão de entrada será inferior a de saída. Quando a captação é prevista no projeto do reservatório é comum a construção de torres de tomada com saída através do maciço da barragem. Em caso contrário emprega-se o poço seco de derivação e, para vazões pequenas, sifonamento por sobre o maciço ou a captação com os conjuntos sobre balsas e com a sucção e a parte móvel do recalque em mangotes flexíveis. captação com torre de tomada passarela 0. 0 4 para bonbeamento IV.4. ÁGUAS SUBTERRÂNEAS IV.4.1. Mananciais Os reservatórios de águas subterrâneas são chamados de lençóis. Essas águas podem estar acumuladas em dois tipos de lençóis: o freático ou o cativo. O lençol freático caracteriza-se por está assentado sobre uma camada impermeável de subsolo, como rocha, por exemplo, e submetido à pressão atmosférica local. O lençol cativo caracteriza-se por está confinado entre duas camadas impermeáveis de crosta terrestre e submetido a uma pressão superior a pressão atmosférica local. IV.4.2. Captações em lençol freático A captação do lençol freático pode ser executada por galerias filtrantes, drenos, fontes ou poços freáticos. O emprego de galerias filtrantes é característico de terrenos permeáveis (Figura IV.2), mas de pequena espessura (aproximadamente de um a dois metros) onde há necessidade de se aumentar a área vertical de captação para coleta de maior vazão (Figura IV.3). Estas galerias em geral são tubos furados, que convergem para um poço de reunião, de onde a água é retirada em geral por bombeamento, não sendo incomuns outros métodos mais rudimentares. Figura III.4 - Estrutura típica de um poço raso comum Para evitar o carreamento de areia para o interior dos poços ou mesmo dos orifícios pode-se envolver a área de drenagem com uma camada de pedregulho e areia grossa, externamente. A retirada da água do seu interior deve ser através de bombeamento por medida de segurança sanitária, mas para abastecimentos singelos são frequentes o uso de sarilhos e outras bombas manuais. O poço amazonas é uma variável do escavado, próprio de áreas onde o terreno é muito instável por excesso de água no solo (areias movediças). Seu método construtivo é que o caracteriza, pois sua construção tem de ser executada por pessoal especializado, empregando peças pré-fabricadas a medida que a escavação vai desenvolvendo-se. Sua denominação deve-se ao fato de ser muito comum na região amazônica em função de que os terrenos terem este comportamento, principalmente nas épocas de enchentes. São poços para pequenas vazões, destinados a abastecerem pequenas comunidades. Dependendo da vazão solicitada e da capacidade do lençol abastecedor os poços freáticos podem ser classificados da seguinte maneira: a) quanto a modalidade de construção, • escavados (profundidades até 20m, diâmetros de 0,80 a 3,00m, vazão até 20 l/s); • perfurados; • cravados. b) quanto ao tipo de lençol • rasos; • profundos. IV.4.2. Captações em lençol cativo A captação de lençóis cativos normalmente é feita através de poços artesianos e, mais raramente, por fontes de encosta. NOTA: A designação artesiano é datada do século XII, derivada do nome da cidade de Artois, França, onde historicamente em 1126, foi perfurado com sucesso pela primeira vez, um poço desta natureza. Um dos poços artesianos mais famosos da história, principalmente pelos seus registros de sondagens, etapas de perfuração e métodos de recuperação de ferramentas, é o de Grenelle, próximo a Paris, perfurado de 1833 a 1841, com 549 metros de profundidade, permaneceu por mais de 15 anos como o mais profundo do mundo; outro famoso poço próximo a Paris é o de Passy, concluído em 1857, com 0,70m de diâmetro e produção de 21.150 m3/dia a uma altura de 16,50 metros acima do solo. CAPÍTULO V - ADUÇÃO V.1. DEFINIÇÃO É o conjunto de encanamentos, peças especiais e obras de arte destinadas a promover o transporte da água em um sistema de abastecimento entre: • captação e reservatório de distribuição; • captação e ETA; • captação a rede de distribuição; • ETA e reservatório; • ETA e rede; • reservatório à rede; • reservatório a reservatório. V.2. CLASSIFICAÇÃO • de acordo com a energia de movimentação do líquido: gravidade, recalque e mista; • de acordo com o modo de escoamento do líquido: livre, forçada e mista; • de acordo com a natureza da água: bruta e tratada (Figura V.1). P = F 0 6 7F 0 2 0. Q . H para Q em m3/s ou P = Q . H / 75 para Q em L/s e P em CV. V.6. EXEMPLOS 1. De um lago com NA 1480,00m parte uma adutora em ferro fundido velho em 100mm de diâmetro e 650m de extensão para um reservatório com a cota de entrada 1465,65m. Determinar a vazão e a velocidade média de escoamento. Solução: Perda de carga (desnível piezométrico) hf = 1480,00 - 1465,65 = 14,35m. Para perda unitária J = 14,35m / 650m = 0,02208 m/m, temos a) Para Darcy (Tabela 12.4 do Azevedo Netto), f = 0,050, então indicando Q = 0,0073 m3/s e V = 0,0073 /(F 0 7 0 . 0,1002 /4) = 0,93m/s; b) Para Hazen-Williams (fofo velho), C = 90, então 0,02208 = 10,643 . 90-1,85. 0,100-4,87. Q1,85, donde Q = 0,0074 m3/s e V = 0,0074 /( F 0 7 0 . 0,1002/4) = 0,94m/s; 2. Que altura líquida terá um canal triangular em concreto alisado com paredes inclinadas de 45o transportando 2,0m3/s de água? I = 0,008m/m. Área = h2 e Perímetro molhado = 2.h logo , como Q = A.V, então Q = (h2) . [n-1 . (h/23/2)2/3. I1/2] 3. Traçar a linha piezométrica para a adutora esquematizada na Figura V.2 (C = 120). Determinar ainda as pressões estática e dinâmica em "C". Figura V.2 - Adutora esquematizada do Exemplo 3 a)Perda unitária: J = (121,00 - 88,70) / 17000 = 0,0019m/m ou 0,19m /100m. b) Diâmetro: ParaJ = 0,0019m/m, então D = 0,317m. Como este valor não é comercial, 300mm é insuficiente e toda a linha em 350mm trará um gasto adicional, isto implica em que se deve calcular um diâmetro misto de modo que se tenha uma extensão em 350mm em série com um trecho de 300mm . Assim • D = 300mm, Q = 55 l/s e C = 120 J = 0,25m /100m e • D = 350mm, Q = 55 l/s e C= 120 J = 0,12m /100m ou 0,0019 = 10,643 . 120-1,85 . D-4,87 . Q 1,85 c) Extensão de cada trecho: L300 x J300 + L350 x J350 = 0,0019 x 17000 L300 x 0,0025 + (17000 - L300 )x 0,0012 = 0,0019 x 17000 donde L300 = 9154m e L350 = 7846m. d) Pressão em "C": • estática - PE = 121,00 - 84,00 = 37,00 • dinâmica - PD = 121,00 - 0,0012 x 6000 - 84,00 = 29,80 m. 4. Se houver necessidade de um reforço de 15,0 l/s, verificar a velocidade, calcular a potência dos conjuntos elevatórios e esboçar o novo traçado da linha piezométrica. a)velocidade no trecho de 300mm: V = 0,070/(F 0 7 0F 0 2 0. 0,152/4) = 0,99 m/s (aceitável!, menor que 1,0 m/s). b) Perdas: hf = 9154 x 0,0039 + 7846 x 0,0018 = 49,82m. c) Potência:(Ver Capítulo VI) • potência calculada : Pc = 70 x (49,32 - 32,30) / 75 x 0,85 = 19,23 CV; • potência com folga: Pf = P x 1,15 = 22,12 CV; • potência instalada : Pi = 2 x 25 HP. desprovida de junta, o que foi obtido com o deslocamento da máquina à medida que o conduto ia se formando. O processo químico que envolve a fabricação do PVC é a seguinte: o carvão, agindo com a cal, forma o carbureto de cálcio e este, com a água, o acetileno que se combinado com o ácido clorídrico produzido pela eletrólise do cloreto de sódio vai formar o cloreto de vinila e este o de polvilina. Trabalhando-se este material obtém-se os tubos propriamente ditos. Segundo Dacach, pelas normas brasileiras, os tubos de plástico rígidos (PVC) podem ser fabricados para as classes 8, 10, 12, 15, 20, cujas pressões de ensaio são os mesmos números de kg/ cm². As pressões de trabalho, que devem ser a metade daquelas pressões quando transformadas em colunas de água, transformam-se nos seguintes valores: Classe Pressão de serviço (kgf/cm²) 8 40 10 50 12 60 15 75 20 100 Os valores das pressões máximas de serviço decrescem com o aumento da temperatura na base de 20% para cada mais 10o.C. Possuem ótima resistência à corrosão, pois sendo compostos por matérias essencialmente não corrosivos, a tubulações de plástico, são sem dúvida alguma, as que menos ficam sujeitas ao ataque da água e de terreno agressivos. Todavia, esta afirmação só é válida para temperaturas até 60ºC no máximo. Vale salientar que esses tubos também são imunes à corrosão eletrolítica. As suas paredes lisas beneficiam a sua capacidade de escoamento, sendo, sob as mesmas condições de trabalho e para mesmo diâmetro, capaz de fornecer uma vazão 1,4 vezes maior que o ferro fundido. Normalmente são fabricados com juntas elásticas, sendo estas, para 60 e 300 mm de diâmetro, os mais comuns nos sistemas públicos de abastecimento de água. Essas juntas compõem-se de um anel de borracha que fica comprimido entre a ponta de um tubo e a bolsa do outro com o qual se une. Em geral o fabricante passa as seguintes recomendações: Antes da execução da junta, cumpre verificar se a bola, os anéis de borracha e as extremidades dos tubos a ligar se acham bem secos e limpos (isentos de arei, terra, lama, óleo, etc.). Realizada a junta, deve-se provocar uma folga de, no mínimo, um centímetro entre as extremidades, para permitir eventuais deformações, o que será conseguido, por exemplo, imprimindo à extremidade livre do tubo recém-unido vários movimentos circulares. Em seguida deve-se verificar a posição dos anéis que devem ficar dentro da sede para isso disposta. Qualquer material usado pode favorecer o deslocamento nos anéis de borracha, deverá ter características que não afetem a durabilidade dos mesmos e dos tubos de PVC rígido.” V.7. 3. Conexões Estas peças são destinadas a ligarem tubos ou seguimentos de tubos entre si, permitindo mudanças de direção, derivações, alterações de diâmetros etc, e são fabricadas nas classes e juntas compatíveis com a tubulação. As mais comuns são: • curvas (mudanças de direção); • tês (derivação simples); • cruzetas derivação dupla; • reduções (mudanças de diâmetro); • luvas (ligação entre duas pontas); • caps (fechamento de extremidades); • junções (derivações inclinadas) • etc. V.7. 3. Peças especiais São peças com finalidades específicas, tais como controle de vazões, esgotamento de canalizações, retirada de ar ou reenchimento de trechos de tubulação etc. Entre elas as mais comuns são: • Registros ou válvulas de manobra para controle do fluxo (Figura V.5); • Válvulas de retenção para impedir retorno do fluxo; • Ventosas para aliviar o ar das canalizações; • Crivos par impedir a entrada de material grosseiro nos condutos; • Válvulas de pé para manter o escorvamento dos conjuntos elevatórios; • Comportas e Adufas para controle das entradas e saídas de vazão; • Hidrante para fornecimento de água para combate a incêndios. Clique aqui para maiores detalhes sobre as peças especiais, equipamentos e aparelhos mencionados. Figura V.5 - Registro de gaveta com cabeçote e volante V.8. EXERCÍCIOS 1. Um canal trapezoidal com paredes inclinadas de 45°, base duas vezes a altura, revestido com cimento alisado a colher de pedreiro, descarrega uma vazão de 4,5 m³/ s. Se sua declividade longitudinal de 0,20% calcular a altura da água nesse canal. 2. Que diâmetro dever-se-ia indicar para construção de uma galeria em concreto armado, com o acabamento da forma, que fosse capaz de transportar 182 l/s a 0,005 m/m, para uma lâmina molhada máxima de 1/2 seção? 3. Calcular a capacidade de uma galeria funcionando a seção plena, sem carga, de diâmetro de 1500mm sob 0,08% de declividade. 4. De um reservatório com NA1 na cota 1220,80m, parte uma adutora de tubos de fºfº velhos com 1650m de extensão e 200mm de diâmetro conduzindo água para um outro reservatório com NA2 na cota 1185,65m. Determinar a vazão e a velocidade média do escoamento empregando a expressão de a) Darcy e b) Hazen-Williams. Compare e comente os resultados. 5. Para projetar o abastecimento d'água de uma pequena cidade foram colhidos os seguintes dados: ■ população no final do plano = 15000 habitantes; ■ consumo médio per capita = 200 l/hab.dia; ■ coeficiente de reforço (K1. K2) = 2,00; ■ comprimento da adutora (adução por gravidade) = 5,30km; ■ cota do NA do manancial = 980,65m; ■ cota do NA do reservatório de distribuição = 940,30m. Pede-se predeterminar o diâmetro da adutora e verificar a velocidade. 6. Dimensionar uma adutora para abastecimento de um conjunto habitacional composto de 2500 casas populares. São conhecidos: L=3400m, NAm= 876,45m e NAj= 841,56m. Adotar demais parâmetros. 7. Dimensionar as adutoras esquematizadas nas figura 1 e figura 2, inclusive as potências instaladas se necessário, e desenhar o traçado esquemático das linhas piezométricas. 8. No caso da figura 1 qual seria a potência instalada necessária para se aumentar a vazão em mais 25%? Figura VI.1 - Esquemas de bombas volumétricas VI.2.3. Bombas Centrífugas VI.2.3.1. Definição Bombas Centrífugas são bombas hidráulicas que têm como princípio de funcionamento a força centrífuga através de palhetas e impulsores que giram no interior de uma carcaça estanque, jogando líquido do centro para a periferia do conjunto girante. VI.2.3.2. Descrição Constam de uma câmara fechada, carcaça, dentro da qual gira uma peça, o rotor, que é um conjunto de palhetas que impulsionam o líquido através da voluta (Figura VI.2). O rotor é fixado no eixo da bomba, este contínuo ao transmissor de energia mecânica do motor. A carcaça é a parte da bomba onde, no seu interior, a energia de velocidade é transformada em energia de pressão, o que possibilita o líquido alcançar o ponto final do recalque. É no seu interior que está instalado o conjunto girante (eixo-rotor) que torna possível o impulsionamento do líquido. Figura VI.2 - Voluta em caracol A carcaça pode ser do tipo voluta ou do tipo difusor. A de voluta é a mais comum podendo ser simples ou dupla (Figura VI.3). Como as áreas na voluta não são simetricamente distribuídas em torno do rotor, ocorre uma distribuição desigual de pressões ao longo da mesma. Isto dá origem a uma reação perpendicular ao eixo que pode ser insignificante quando a bomba trabalhar no ponto de melhor rendimento, mas que se acentua a medida que a máquina sofra redução de vazões, baixando seu rendimento. Como consequência deste fenômeno temos para pequenas vazões, eixos de maior diâmetro no rotor. Outra providência para minimizar este empuxo radial é a construção de bombas com voluta dupla, que consiste em se colocar uma divisória dentro da própria voluta, dividindo-a em dois condutos a partir do início da segunda metade desta, ou seja, a 180o do início da "voluta externa", de modo a tentar equilibrar estas reações duas a duas, ou minimizar seus efeitos. Figura VI.3 - Voluta dupla Para vazões médias e grandes alguns fabricantes optam por bombas de entrada bilateral para equilíbrio do empuxo axial e dupla voluta para minimizar o desequilíbrio do empuxo radial. A carcaça tipo difusor não apresenta força radial, mas seu emprego é limitado a bombas verticais tipo turbina, bombas submersas ou horizontais de múltiplos estágios e axiais de grandes vazões. A carcaça tipo difusor limita o corte do rotor de modo que sua faixa operacional com bom rendimento, torna-se reduzida. VI.2.3.3. Classificação A literatura técnica sobre classificação de bombas é muito variada, havendo diferentes interpretações conceituais. Aqui apresentamos uma classificação geral que traduz, a partir de pesquisas bibliográficas e textos comerciais, nossa visão sobre o assunto. • Quanto a altura manométrica (para recalque de água limpa): • baixa pressão (H £ 15 mca); • média pressão (15 < H < 50 mca); • alta pressão (H ³ 50 mca). (OBS: Para recalques de esgotos sanitários, por exemplo, os limites superiores podem ser significativamente menores). • Quanto a vazão de recalque: • pequena (Q £ 50 m3/hora); • média ( 50 < Q < 500 m3/hora); • grande (Q ³ 500 m3/hora). • sucção lateral (bombas de média e alta capacidades); • sucção de topo (situações especiais); • sucção inferior (bombas especiais). • Quanto a posição de saída: • de topo (pequenas e médias); • lateral (grandes vazões) • inclinada (situações especiais). • vertical (situações especiais). • Quanto a velocidade de rotação: • baixa rotação ( N < 500rpm); • média ( 500 £ N £ 1800rpm); • alta ( N > 1800rpm). OBS: As velocidades de rotação tendem a serem menores com o crescimento das vazões de projeto, em função do peso do líquido a ser deslocado na unidade de tempo. Pequenos equipamentos, trabalhando com água limpa, têm velocidades da ordem de 3200rpm. Para recalques de esgotos sanitários, por exemplo, em virtude da sujeira abrasiva na massa líquida, os limites superiores podem ser significativamente menores: N < 1200rpm. • Quanto à posição na captação (Figura VI.6): • submersas (em geral empregadas onde há limitações no espaço físico - em poços profundos por exemplo); • afogadas (mais frequentes para recalques superiores a 100 l/s); • altura positiva (pequenas vazões de recalque). • Quanto à posição do eixo (Figura VI.6) • :eixo horizontal (mais comuns em captações superficiais); • eixo vertical (para espaços horizontais restritos e/ou sujeitos a inundações e bombas submersas em geral). Figura VI.6 - Bomba de eixo vertical submersa • Quanto ao tipo de carcaça: • compacta; • bipartida (composta de duas seções separadas, na maioria das situações, horizontalmente a meia altura e aparafusadas entre si); A Figura VI.7 mostra um corte esquemático de uma bomba centrífuga típica de média pressão para pequenas vazões e para funcionamento afogado ou com altura positiva, eixo horizontal e carcaça compacta, fluxo radial com rotor fechado em monoestágio de alta rotação, sucção única, entrada axial e saída de topo. Figura VI.7 - Corte esquemático de uma bomba centrífuga típica VI.2.3.4. Grandezas características Uma bomba destina-se a elevar um volume de fluido a uma determinada altura, em um certo intervalo de tempo, consumindo energia para desenvolver este trabalho e para seu próprio movimento, implicando, pois, em um rendimento característico. Estas, então, são as chamadas grandezas características das bombas, isto é, Vazão Q, Altura manométrica H, Rendimento F 0 6 8F 0 2 0e Potência P. VI.2.3.5. Altura manométrica ou Carga - H Altura manométrica de uma bomba é a carga total de elevação que a bomba trabalha. É dada pela expressão H = hs + hfs + hr + hfr + (vr 2/2g) Eq. 1 onde: H = altura manométrica total; hs= altura estática de sucção; hfs= perda de carga na sucção (inclusive NPSHr); hr = altura estática de recalque; CV 20 30 40 60 80 100 150 250 % 86 87 88 89 89 90 91 92 VI. 2.3.7. Potência solicitada pela bomba - Pb Denomina-se de potência motriz (também chamada de potência do conjunto motor-bomba) a potência fornecida pelo motor para que a bomba eleve uma vazão Q a uma altura H. Nestes termos temos: Pb= (F 0 6 7F 0 2 0F 0 2 EF 0 2 0Q . H) / F 0 6 8). , onde Eq. VI.2 Pb = potência em Kgm/s, F 0 6 7 = peso específico do líquido. Q = vazão em m3/s, H = altura manométrica, F 0 6 8 = rendimento total ( = F 0 6 8b.F 0 6 8m ). Se quisermos expressar em cavalos-vapor - CV (unidade alemã) Pb = (F 0 6 7F 0 2 0F 0 2 EF 0 2 0Q . H) / (75 . F 0 6 8), Eq. VI. 3 ou em horse-power - HP (unidade inglesa) Pb = (F 0 6 7F 0 2 0F 0 2 EF 0 2 0Q . H) / (76 . F 0 6 8), Eq.VI.4 Nota: Embora sendo 1CV F 0 B B 0,986HP , esta diferença não é tão significativa, pois a folga final dada ao motor e o arredondamento para valores comerciais de potência praticamente anulam a preocupação de se trabalhar com CV ou HP. Como F 0 6 7 é aproximadamente igual 1000 Kg/m3para água, então podemos empregar Pb = (Q . H) / (75 . F 0 6 8) , Eq. VI.5 para Q em litros por segundo. VI.2.3.8. Curvas características da bomba É a representação gráfica em um eixo cartesiano da variação das grandezas características (Figura VI.10). Figura VI.10 - Representação gráfica de uma curva característica De acordo com o traçado de H x Q as curvas características podem ser classificadas como: • flat - altura manométrica variando muito pouco com a variação de vazão; • drooping - para uma mesma altura manométrica podemos ter vazões diferentes; • steep - grande diferença entre alturas na vazão de projeto e a na vazão zero (ponto de shut off ); • rising - altura decrescendo continuamente com o crescimento da vazão. As curvas tipo drooping são ditas instáveis e são próprias de algumas bombas centrífugas de alta rotação e para tubulações e situações especiais, principalmente em sistemas com curvas de encanamento acentuadamente inclinadas. As demais são consideradas estáveis, visto que estas, para cada altura corresponde uma só vazão, sendo a rising a de melhor trabalhabilidade (Figura VI.11). • selecionar bombas iguais para facilitar a manutenção; • indicar motores com capacidade de atender todos pontos de trabalho do sistema; • no caso de ampliações, conhecimento prévio das curvas das bombas e do sistema em funcionamento. E) Recomendações técnicas especiais Para projetos de elevatórias recomenda-se que, no caso de associações em paralelo, o número fique limitado a três bombas com curvas iguais e estáveis. Se houver necessidade do emprego de um número maior ou de conjuntos diferentes, devemos desenvolver um estudo dos pontos de operação, tanto nas sucções como no ponto (ou nos pontos!) de reunião no recalque, principalmente para que não hajam desníveis manométricos que prejudiquem as hipóteses operacionais inicialmente previstas. Quanto ao posicionamento das sucções apresentamos na Figura VI.13, algumas situações recomendadas para instalações bem como outras não recomendadas, mas que frequentemente são encontradas por falta de uma orientação técnica conveniente. Figura VI.13 - Arranjos de sucções Exemplo VI.1 Dado que a equação hipotética de uma bomba centrífuga "A" é H = 70,00 - 0,00625 x Q2 desenhar as curvas (a) característica da bomba A, (b) de duas bombas A em série e (c) de duas bombas A em paralelo. Solução: (a) Arma-se uma tabela com os diversos valores de H encontrados a partir da equação H = 70,00 - 0,00625 x Q2, correspondentes aos valores de Q variando de 10 em 10 l/s (Q de 10 a 100 l/s) e organizamos a tabela mostrada a seguir e colocamos estes valores em um gráfico plano de H em função de Q, como na figura esquematizada abaixo da tabela. Vazão Q (l/s) Altura H (m) 0 70,00 10 69,38 20 67,50 30 64,38 40 60,00 50 54,38 60 47,50 70 39,38 80 30,00 90 19,38 100 7,50 Curva da bomba A (b) Idem para a equação H = 2 x (70,00 - 0,00625 x Q2);