Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro

Instituto de Tecnologia-IT- Departamento de Engenharia

Professor: Alexandre Lioi

Alunos: Igor Leite da Silva 200823011-0

Luciano Rúbio Perez 200823012-9

Rodrigo Santos Mendes da Rocha 200823021-8

Dimensionamento de um sistema de abastecimento de água

Índice1. Concepção dos dados de projeto

1.1. Estimativa populacional pág.31.2. Escolha do manancial e verificação de potencial de abastecimento pág.31.3. Cálculo dos valores de vazão referente aos diversos trechos do projeto pág.4

2. Concepção do sistema de abastecimento de água2.1. Coordenadas geográfica da estação fluviométrica pág.42.2. Local da Captação e Tratamento pág.52.3. Dimensionamento de gradeamento para captação pág.52.4. Dimensionamento do desarenador pág.6

3. Dimensionamento de Adutora3.1. Adutora 1 (captação-> ETA) pág.73.2. Adutora 2 (ETA->Reservatório) pág.8

4. Tratamento de água4.1. Dimensionamento da Estação de tratamento de Água

4.1.1.Floculador pág.94.1.2.Decantação pág.114.1.3.Filtração pág.11

4.2. Reservatório pág.12

Referencial bibliográfico pág.13

Anexo A pág. i

Anexo B pág. ii

Anexo C pág. iii

Anexo D pág. vi

Introdução

O abastecimento de água é um dos primeiros tópicos a serem abordados na disciplina de Saneamento Básico. A partir dos conhecimentos adquiridos em sala de aula

1. Concepção dos dados de projeto1.1-Estimativa Populacional

Os dados populacionais foram calculados para um horizonte de projeto de 20 anos.

Kg=( ln(Pn)−ln (P0))

(t n−t 0)

Pt=P0 . e(Kg(t−t0 ))

Pn = População do ultimo ano observadoP0= população do primeiro ano observadot = Ano de projetot0 = primeiro ano observadoKg= 0.002208Pt= 16643,12 habitantes, onde Pt = população total no ano t

1.2-Escolha do manancial e verificação de potencial de abastecimento

Dados de vazão da estação usina Brumado – em anexo – de 1967 a 2010 que esta em coordenadas de 615070.38 E, 7582744.55 S.

Q7,10=2408,568441 L/s .

Esta vazão tem uma área de drenagem que abastece a mesma na ordem de 315,66ha, mas o local de captação que fica na coordenada 623302.44 E, 7584261.97 S, fuso 23, tem uma área de drenagem de 20430,5 ha, no qual é calculada uma vazão de 155,89L/s. Neste caso continuamos com o trabalho pois, a vazão requerida pelo projeto é menor que os 30% dessa vazão no qual é prevista por lei.

A Demanda de água será foi calculada em função da população estimada em 20 anos, com um consumo de 200 L/pessoa. Em função disso achamos uma demanda de 3328600 L/dia ou 38,526L/s. Estes dados estão descritos no anexo A e B deste trabalho.

1.3-Cálculo dos valores de vazão referente aos diversos trechos do projeto

Para cada trecho do projeto, torna-se necessário o cálculo das vazões. Para tais, serão utilizadas as seguintes equações:

K1=1.2

K2=1.5

Qprod= 72,12

QAAT= 69,3468

QDIST= 69,3468

A vazão média é calculada a partir da seguinte forma:

P = População de projeto

q = Consumo médio diário per capita

2. Concepção do sistema de abastecimento de água.2.1. Coordenadas geográfica da estação fluviométrica:

Latitude: -21°51’20” UTM

Longitude: -43°53’11” 7582744,48 S; 615070,38 E

Com o uso do Auto CAD, aplicamos a carta de escala 1:50000 no mesmo e através do Google Earth e cálculos foi possível o referenciamento da carta com imagens de satélites NOAA e GeoEye, ambas delas obtidas na utilização do software Google Earth. Assim extraímos informações do tipo, distancia áreas, coordenadas em UTM e Geográficas dos pontos de interesse.

Exemplo de cálculo usado para referenciar imagens do Google e carta topográfica:

Ponto de Captação

2,61cm no CAD ---0.4775’ na carta Latitude:- 21°50’47,75”

27,33cm no CAD —5’ na carta Latitude: -21°50’28,65”

Longitude: -43°48’24,61”

UTM = 7584261,97 S; 623302,44 E

2.2. Local da Captação e Tratamento

A Captação da água será feita muito próximo da cidade, por motivos econômicos colocaremos a captação próxima da estação de tratamento de água, a uma distância de 30 metros e diferença de altura de 8 metros. Depois de tratada essa água vai ser levada por uma adutora de 52 m altura, e distância de 1404 metros. A partir do reservatório essa água vai ser distribuída por gravidade, pois onde estará o reservatório é o lugar mais alto da cidade.

2.3. Dimensionamento de gradeamento para captação

Afim de que todos os sedimentos grandes sejam retirados da água, será dimensionado um gradeamento simples que estará localizado anteriormente a primeira adutora. Assim, temos os seguintes dados calculados:

Adotando Vmáx= 1,1 m3/s e espaçamento máximo entre as barras de 1cm, procederemos com os cálculos:

Área útil da Grade

A área útil da grade pode ser definida a partir da seguinte fórmula

Au= Qprod(1−k )Vmáx

Utilizando a constante k= 0,25 (norma) temos Au = 9 cm. O valor da barra, também adotado, será de 3mm.

E= esparçamento entreas barraesparçamento entreas barras+espessuradasbarras

Assim, utilizamos este valor para calcular a eficiência da barra. Obtemos como resultado uma eficiência de 77%.

O cálculo da área molhada é feita levando-se em consideração a área útil da grade e a eficiência da mesma. Racionalizando a primeira pela segunda, temos Am= 0,12m2.

Assim, adotaremos um canal de 40 x 30 cm.

O próximo passo diz respeito ao cálculo do número de barras necessárias para a montagem do gradeamento. Utilizando a largura do canal, a espessura das barras e o esparçamento entre as barras, torna-se possível determinar-se tal parâmetro. Assim, temos:

nºde barras= larguradocanal−espaçamento entreas barrases pessura dasbarras−esparçamento entreas barras

Deste cálculo, temos como resultado o número de 30 barras.

A perda de carga total calculada da seguinte forma:

hf =(V g ²−V c ²)

1,4 g

esta expressão depende dos parâmetros Vg e Vc que podem ser definidos da seguinte forma:

Vg =velocidade através da grade, calculada por Vg=Q

Lc . Hc

Vc = velocidade no canal, calculada por Vc=Q

Au .0,5

O valor calculado será 0,161metros. Assim, encerra-se o dimensionamento da grade.

2.4. Dimensionamento do desarenador

A construção do desarenador também ocorrerá anteriormente a primeira adução. Esta medida tem como objetivo principal reduzir a turbulência provocada por partículas maiores na tubulação. Este procedimento também ajudará na confecção de uma Estação de tratamento mais compacta, já que a mesma estação se localizará próxima a cidade. A realização deste procedimento torna-se possível apenas porque o comprimento de adução é curto, e os fatores inerentes a contaminação da água pro partículas presentes dentro da tubulação é quase nulo.

As etapas do processo de desarenação baseiam-se na escolha do diâmetro máximo da partícula a ser removida da água. para isso, utilizaremos a seguinte fórmula:

Vs=ϕ (3T .70) onde Vs é a velocidade de sedimentação(m/s) e T a temperatura média da água (°C).

Adotando este diâmetro igual a 0,5 mm (areia) e a temperatura igual a 25°C, temos como resultado Vs= 0.0725 m/s

Utilizando um tempo de detenção de 90 s (mínimo 60s), calculamos a altura do desarenador.

V s=ht

Esta altura é de 6,55 m.

Respeitando o valor mínimo para base de 0,5m, dimensionamos o comprimento do desarenador para 2m, respeitando assim a relação L/b maior ou igual a 4 e a área calculada igual a 1m².

3. Dimensionamento de Adutora3.1. Adutora 1 (captação-> ETA)

Para o cálculo da adutora, foram levados em consideração os seguintes dados:

Diferença de Altura entre a captação e a ETA : 8mAltura de sucção: 2mAltura de Recalque: 8mComprimento da Tubulação: 30 mVazão de Projeto: 7,2x10-2 m3/s

Utilizando Bresse, conseguimos estimar o diâmetro necessário para recalque e sucção. Assim, temos:

D=1,3x(n/24)0,25√Q

Realizando os cálculos, chegamos ao valor de diâmetro igual a 320 mm, aproximadamente. Assim, para recalque utilizamos o valor de diâmetro igual a 300 mm para recalque e 350 mm para sucção.

O próximo passo diz respeito ao Cálculo das perdas de cargas totais provocados pelo regime turbulento da água. Estas são calculadas da seguinte forma:

Ht=Hr+Hs

Para perda de carga de sucção, temos:

Hs=Hfs+ Hg

Por Hazen-Willians, calculamos a perda de carga distribuída ao longo da tubulação:

Hfs= 10,65 Q1,85 C-1,85 D-4,87x L

A adutora adotada será de Ferro Fundido. Para tal, C= 140. Sendo L o comprimento total da adutora, temos como resultado:

Hfs= 2,8x10-3m

Para as perdas de cargas distribuídas, utilizou-se a expressão Borda Belanger. Assim, temos:

Hgs=ΣK V 2/2g

Neste trecho da tubulação, temos os seguintes acidentes, com seus respectivos valores de K.

1 válvula de pé = 1,751 Curva de 90º = 0,41 Redução excêntrica =0,15

Utilizando estes dados e calculando a velocidade de escoamento (V=0,75 m/s) temos Hgs= 0,088m. Logo, a perda de carga total será de 0,88m.

Analogamente, o mesmo será feito para Recalque. O valor da perda de carga por recalque será de 1,238 m. Com estes dados, torna-se possível a determinação da altura manométrica que necessita ser elevada. Para tal, basta ser somado os valores referentes as perdas de carga a altura manométrica total. Assim, a potência da bomba será calculada em função do seguinte valor: 10m + 0,88m +1,238m = 12,118m.

Com estes dados, conseguimos realizar o cálculo da potência da Bomba, utilizando a seguinte formula:

P(hp)= γ .Q. Hm75.n

, onde n é o rendimento da bomba.

Para um rendimento da bomba de 75% (adotado) temos como resposta:

Potencia da bomba = 16,049 cv

Os dados de traçado de adutora estarão disponíveis no Anexo 3 deste projeto

3.2. Adutora 2 (ETA->Reservatório)

Os dados para confecção desta adutora, obtidos através de observações cartográficas e altimétricas são:

Diferença de Altura entre a ETA e o Reservatório: 52mAltura de Recalque: 52mComprimento da Tubulação: 1400 mVazão de Projeto: 6,9x10-2 m3/s

Os cálculos de perda de carga são análogos aos da primeira adutora. A única diferença diz respeito a quantidade de acidentes (peças) encontradas na tubulação. Por consequência, o valor de ΣK será diferente. As peças utilizadas neste trecho da tubulação serão listadas a seguir:

4 válvulas de parada = 1,751 ventosa = 0,51 válvula de descarga = 0,21 válvula de retenção = 1,751 válvula aliviadora = 0,22 Curvas de 90° = 0,41 Curva de 45° = 0,2

Para este trecho, temos como resultado da perda de Carga Hf= 5,2m e Hg = 0,58m. assim, a altura manométrica que a bomba necessita levar será de 52m+5,2m+0,58m = 57,78m. Adotando 60 metros como altura manométrica e realizando o cálculo de potência da Bomba, temos:

Potencia da bomba = 41,4 cv

Será construindo, em anexo, um passo-a-passo do processo de escolha da bomba (desconsiderando estes valores de potência acima descritos, já que os mesmos apresentam valores para bombas de rendimentos “fictícios”). Tal anexo terá como objetivo principal enlucidar o leitor acerca do processo de escolha de bombas, bem como apresentar alternativas reais na confecção do projeto de abastecimento de água.

4. Tratamento de água4.1. Dimensionamento da Estação de tratamento de Água

4.1.1.Floculador

Floculação pode ser definido como um processo físico no qual as partículas coloidais são colocadas em contato umas com as outras, de modo a permitir o aumento do seu tamanho físico, alterando, desta forma, a sua distribuição granulométrica. A floculação tem como objetivo retirar partículas diluídas na agua.

Para este projeto será dimensionado um floculador mecânico, utilizando o valor de vazão de 0,069 m³/s. Adotaremos o tempo de detenção igual a 25 minutos, já que o mesmo pode variar de 10 a 30 minutos. Os dados seguem abaixo:

Floculador em série - 4

Tempo de detenção - 25 minutos

Gradientes de velocidade

G1= 70s-1 G3= 40 s-1

G2 = 50 s-1 G4= 20 s-1

Como são 4 floculadores em série temos

T1=t=t2=t3=t4 = 1500/4 = 375s

Como os volumes de todos eles também são iguais, temos:

V1=V2=V3= V4= 0,06934 m³/s x 330s = 26,0025 m³

Altura do Floculador 3,5m

A= V/H => 26,0025/3,5 = 7,4292m³

Para floculador quadrado, L²= 7,4292m² => L= 3,0m

Potencia útil dos floculadores de palhetas

A potencia útil dos floculadores de palheta é calculada através de uma equação que leva em consideração diversos parâmetros pré-estabelecidos, como velocidade angular das palhetas, coeficiente de arraste das mesmas, entre outros. Estes dados serão apresentados a seguir:

Coeficiente de arraste das palhetas = 1,45 x10³

Peso específico do líquido = 12,80 kgf/m³

Relação entre a velocidade da água e das palhetas (k) = 0,25

Comprimento das palhetas (b) = 3m

A partir destes dados, torna-se possível calcular a potencia útil dos floculadores de parede da seguinte forma:

P=1,46 .10−5.C0 [ (1−k )n ]3 .b∑(Rej4−Rij4)

Temos como resultado uma função de potencia em relação a velocidade angular das palhetas (n)em RPM.

P = 0,3422 (0,75n)³

Operação do Equipamento SL-01

N1 = 2,1 RPM P1 = 1,34 kgm/s

N2 =3,5 RPM P2 = 6,19 kgm/s

N3 =4,9 RPM P3 = 16,98 kgm/s

Operação do equipamento SL-02

N1 =1,8 RPM P1=1,659 kgm/s

N2 = 3,0 RPM P2 =7,682 kgm/s

N3 = 4,3 RPM P3=22,62 kgm/s

Gradiente de velocidade

G=√ PμV

G1= (294,49 . P)0,5s-1

G2= 19,845 s-1

G3=70,73 s-1

Resumo equipamentotanques Módulo N

1 SL-01 4,3 RPM2 SL-02 3 RPM3 SL-01 3,3 RPM4 SL-02 1,8 RPM

4.1.2.Decantação

A decantação é o processo pelo qual se verifica a deposição dos flocos pela ação da gravidade. A seguir, estão definidos os principais parâmetros de dimensionamento do tanque de decantação da ETA.

Tas=Q /¿) Tas= Q/A

Operação 50m³/(m².dia) escoamento 0,006m/s

tempo de retenção 2,5 h

A=Q /Tas A=0,06934 .86400 /35 A=171,2m ²

A=171,2m ²=B . L

OndeL=4 B4 B ²=171,2 B=6,54m

L=26,2m

Q . t=0,06934 .60.60.2,5=624,06m ³

V=A .H

624,06=171,2.H

H=3,645m

4.1.3.Filtração

A filtração é um processo físico em que a água atravessa um leito filtrante, em geral areia ou areia e carvão, de modo que partículas em suspensão sejam retidas produzindo um efluente mais limpo. Tradicionalmente existem dois processos distintos de filtração: filtração lenta e filtração rápida. A opção por um dos métodos depende principalmente da qualidade da água bruta e do volume a ser tratado o que implica em profundas diferenças no projeto da ETA.

250m ³/ (m².d )usual

t . inf=Q / A=250/(m ².d)=0,06934 .86400/ A

A=23,963m ² /3 filtros=8m ²

L ²=8m ² L=2,83m

4.2. Reservatório

O reservatório a ser usado é o semi-enterrado, ficará localizado nas coordenadas 624338.49 m E, 7584463.24 m S a 774 metros de Altitude, pois a vazão a ser armazenada é maior que 800 m³ de água. Como a adução não é constante, pois a bomba vai trabalhar 16 horas, teremos que dimensionar uma vazão de reserva, que será de incêndio e emergência. Considerando uma vazão na rede de hidrante de 30 l/s por 5 horas para emergência de incêndio.

Vi=0,030 .3600 .5=540m ³

Considerando uma reserva de emergência para qualquer problema de acidente, ou colapso, adiciona-se uma vazão a mais a ser reservado. Esse acréscimo é calculado da seguinte forma:

Va=(Vi+Ve )/3=(3328,6+540)/2=1934,3m ³

Volumea ser reservado=3328,6+1934,3+540=5802,9m ³

Dividiremos em dois reservatórios para facilitar o manejo do mesmo, cada um comportará 2901,45 m³.

A dimensão de cada reservatório será de 2mx39mx39m.

Referenciais Bibliográficos

http://www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/Tratam06_dec2.htm?submit=Continua

http://www.saneamento.poli.ufrj.br/documentos/Ernani/Aulas/

FUNASA, Manual de Saneamento, 2006, Brasília.

CARVALHO, Daniel Fonseca de; Notas de Aula IT-144 Hidraulica Aplicada Julho 2010

BATISTA DA SILVA, Leonardo Duarte; Notas de Aula Hidrologia,Agosto 2006