GRUNDFOS SISTEMAS DE PRESSURIZAÇÃO
Manual de Engenharia
Biblioteca Nacional - Catalogação na Publicação
Manual de Engenharia Sistemas de Pressurização
ISBN: 972 - 99554 - 0 - 9
Depósito Legal n.º 223570/05
Copyright © 2005 - Bombas Grundfos Portugal / Margarida Ruas /
Raul Vital / Paulo Ramísio / Eduardo Nunes / Carlos Medeiros /
Ana Amélia Santos / José Beltrão / Pedro Farinha / Luís Olival
Todos os direitos reservados.
Nenhuma parte deste livro poderá ser reproduzida, de qualquer forma
ou meio, sem a autorização prévia do editor.
Edição de: Bombas Grundfos Portugal, S.A.
Impresso em papel ecológico, isento de cloro por:
Expresso Gráfico - Lisboa
BGP - 03/2005
PREFÁCIO
Actualmente, as sociedades desenvolvidas, na sequência da melhoria da qualidade de vida,
têm como expectativa não apenas o acesso fácil ao recurso água mas também elevados padrões
de qualidade no seu abastecimento. Esta exigência arrasta consigo a garantia do fornecimento
contínuo, a sua qualidade intrínseca e as características adequadas ao seu uso, inerentes à quantidade e à pressão. Estes critérios de qualidade a que todos nós, de forma crescente, nos fomos
habituando, são aplicáveis, principalmente, ao consumo humano, mas são também extensíveis
aos sectores económicos da sociedade, cujo desenvolvimento está na dependência da água.
Para atingir os desejados padrões de qualidade é fundamental o cumprimento da legislação
vigente e a aplicação das tecnologias mais avançadas, factores que se revelam da maior importância para a optimização dos custos de exploração, dos quais o consumo energético é um factor
determinante, se tomarmos em conta que aproximadamente 20% do consumo mundial de energia
eléctrica se destina a grupos electrobomba. O reconhecimento de que uma das componentes do
custo da água reside na sua movimentação, desde a captação à sua utilização, implica que a
selecção dos sistemas de pressurização deverão ser cada vez mais eficientes e económicos.
A responsabilidade social e o desenvolvimento sustentado que a Grundfos assume nos seus
valores, sensibiliza-a para a importância da reflexão e do diálogo sobre o tema da água como bem
fundamental e escasso. Foi com este espírito presente que o Manual de Engenharia sobre o tema
"Sistemas de Pressurização" foi abraçado por um conjunto de docentes universitários e especialistas, em vários sectores da utilização da água, tendo como objectivo a optimização da eficiência
e da fiabilidade da movimentação da água. O conteúdo deste Manual foi estruturado com informação técnica actualizada, desde a legislação às soluções tecnologicamente mais avançadas,
complementado com ferramentas e técnicas para a melhoria do Custo do Ciclo de Vida dos
sistemas públicos, prediais, industriais e na rega. O conceito de variação de velocidade utilizado
nos sistemas hidráulicos, é adaptado em concepções diversificadas, em função das características
das aplicações, como processo para optimização do consumo energético.
É aqui inserido um documento de referência, que descreve a evolução histórica do abastecimento
de água à cidade de Lisboa e regiões limítrofes, desde a ocupação Romana à actualidade, relatando
os acontecimentos históricos que foram influenciados por essa evolução. É referida a importância
da água para o consumo humano, para a rega e para a higiene pública. É ainda abordada a problemática do seu tratamento e as suas propriedades terapêuticas para a cura de diversas doenças.
Evoca ainda a importância da água no desenvolvimento da cidade de Lisboa, assim como transmite os detalhes da evolução tecnológica nos meios utilizados para o abastecimento da água,
desde as nascentes aos consumidores públicos e industriais, até ao abastecimento domiciliário
com água canalizada.
Este Manual é uma colectânea dos contributos da Grundfos e de todos aqueles que participaram
na realização deste projecto, e teve como orientação estratégica a gestão racional da água e a
sustentabilidade ambiental. Destina-se à sociedade em geral e em particular aos consultores,
projectistas, empresários, empresas municipais e multimunicipais, técnicos, docentes e alunos
de universidades e institutos cuja actividade está, directa ou indirectamente, dependente do estudo
e da utilização da água.
António Miranda
Administrador Delegado
Bombas Grundfos Portugal
1
2
Bombeamento ou bombagem
Os idiomas não são instrumentos neutros nem modelos estáticos. As línguas maternas reflectem
os conceitos vigentes na sociedade, em cada momento, e devem responder às necessidades de
todos e de cada um dos falantes. As línguas, como qualquer organismo vivo, mudam com o
tempo e as vontades. Por isso, há certas palavras e formas de dizer que caem em desuso (morrem,
podendo, mais tarde, ressuscitar) e outras que emergem (nascem) para designarem novos
objectos ou conceitos.
As palavras não são unívocas e só o contexto pode indicar o sentido exacto de cada termo.
As palavras são polissémicas e podem significar uma "coisa" e o seu contrário.
Serve esta pequena introdução para explicar que, em matéria linguística, são tão legítimas e
frequentes as dúvidas como as certezas. E diz-nos a experiência que do natural conflito entre
norma e uso, mais tarde ou mais cedo, é o uso que sai vencedor e se impõe à generalidade
dos utentes, de tal modo que o que é incorrecto num dado momento pode ser considerado
correcto noutro.
A dúvida que suscitou estas reflexões é esta: "bombar ou bombear" e "bombagem ou bombeamento"?
O substantivo feminino bomba (no caso, a palavra primitiva) tem diferentes sentidos, denotativos
uns, conotativos outros. E é empregado na linguagem corrente, mas também em linguagens
específicas (física, militar, geológica). Para o caso, interessa apenas o significado de "máquina para
aspirar e elevar líquidos; aparelho com que se transvasam ou esgotam fluidos (líquidos ou gases)".
Do substantivo bomba derivaram outras palavras, designadamente, o verbo bombear e o substantivo bombeamento. No primeiro caso, juntando a bomba o sufixo verbal -ear (tal como de
guerra+ear se formou guerrear e de cabeça+ear derivou cabecear) que encerra um sentido
frequentativo (repetição de uma ideia). Bombear significa "extrair um líquido ou um gás por meio
de bomba". Bombeamento formou-se juntando ao verbo (bombear) o sufixo nominal -mento,
atribuindo-lhe o sentido de "acção ou resultado da acção, estado". Assim, bombeamento
pode designar "a extracção de um líquido ou de um gás por meio de bomba". Embora também
haja quem empregue a forma bombagem como sinónimo de bombeamento (o Dicionário da
Academia, aliás, inclui os dois verbetes), bombeamento é, todavia, a forma mais antiga e mais
adequada. Pelo menos é esta a opinião dos mais reputados estudiosos da língua portuguesa.
Quer o verbo bombear quer o substantivo bombeamento são as formas a que os mais prestigiados
dicionaristas dão acolhimento. Do velho Morais ao novo Houaiss, passando pelos "Vocabulários"
de Gonçalves Viana e José Pedro Machado, todos registam bombear e bombeamento e excluem
as outras hipóteses.
Importa apenas acrescentar que o substantivo bombagem também respeita as regras de
formação de palavras, ou seja, não colide com a morfologia do nosso idioma.
Edite Estrela
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4
Índice
Índice
1.
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
1.14
1.15
1.16
2.
Evolução histórica dos sistemas de abastecimento
de água a Lisboa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das origens ao aqueduto romano de Olisipo . . . . . . . . . . . .
Os antigos chafarizes de Lisboa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Propostas para a reconstrução do aqueduto romano . . . .
O Aqueduto das Águas Livres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Os projectos de Pezerat face à falta de água no século XIX . . .
A 1ª. Companhia das Águas e o começo
do abastecimento domiciliário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A 2ª. Companhia das Águas e o Alviela . . . . . . . . . . . . . . . . . .
O projecto de 1908 para captação de água no Tejo . . . . . .
As municipalizações do abastecimento de água
e a sobrevivência da Companhia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Duarte Pacheco e o contrato de 31 de Dezembro de 1932 . .
Os problemas da qualidade das águas . . . . . . . . . . . . . . . . . .
As duas opções em confronto - Tejo ou Zêzere . . . . . . . . . . .
Expansão do abastecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A EPAL e o Castelo de Bode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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11
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12
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21
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26
26
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Conceitos fundamentais de hidráulica, bombas
centrífugas e redes hidráulicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Princípios da mecânica dos fluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Propriedades da água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Viscosidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Compressibilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tensão de saturação do vapor de água . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conceitos fundamentais de hidrocinemática . . . . . . . . . . . .
e hidrodinâmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conceitos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Classificação dos escoamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Equação da continuidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Teorema de Bernoulli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Teorema da quantidade de movimento ou de Euler . . . . . .
Escoamentos sob pressão em regime uniforme
e permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Escoamentos laminares e escoamentos turbulentos . . . . .
Perdas de carga contínuas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Perdas de carga localizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Redes hidráulicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Classificação das redes hidráulicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cálculo hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Regime uniforme e permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dimensionamento económico de condutas . . . . . . . . . . . . .
Curva característica da instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bombas centrífugas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Constituição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Curva característica da bomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cavitação e NPSH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leis de semelhança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ponto de funcionamento de uma bomba centrífuga . . . . .
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Sistemas de pressurização com velocidade fixa
e velocidade variável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2
Tipos de sistema de elevação de pressão . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3
Centrais hidropneumáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Constituição e princípio de funcionamento . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Grupos electrobomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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55
55
55
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2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.5
2.5.1
2.6
2.6.1
2.7
2.8
2.9
2.9.1
2.9.2
2.9.3
2.10
2.11
2.12
2.13
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35
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36
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37
3.
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.3.6
3.4
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.5
3.5.1
3.5.2
3.5.3
3.6
Reservatórios de membrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reservatórios hidropneumáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Exemplos de situações-tipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Características das centrais hidropneumáticas . . . . . . . . . .
Sistemas por bombeamento directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Constituição e princípio de funcionamento . . . . . . . . . . . . .
Bombas de velocidade fixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistemas com bombas de velocidade variável . . . . . . . . . . .
Dimensionamento e selecção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Determinação do caudal máximo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Determinação da pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Regulação das pressões de arranque e paragem . . . . . . . . .
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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76
4.
Critérios de selecção e análise de sistemas simples
em regime transitório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Modelo de cálculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Critérios de cálculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Condições de fronteira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dispositivos de protecção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Volantes de inércia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Válvulas de retenção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reservatórios de ar comprimido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuito de desvio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chaminés de equilíbrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reservatórios unidireccionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reservatório parcialmente bidireccional . . . . . . . . . . . . . . . .
Dispositivos de manutenção das pressões transitórias . . .
Válvulas motorizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arrancadores suaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Caso prático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.5.1
4.5.2
4.5.3
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.10.1
4.10.2
4.11
4.12
5.
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.5.1
5.5.2
5.6
5.6.1
O Custo do Ciclo de Vida como factor de economia . . . . . 91
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
O que é o Custo do Ciclo de Vida? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Razões para a utilização do CCV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Determinação do Custo do Ciclo de Vida . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Implementação da metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Na fase de projecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Aplicação a sistemas existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Exemplos de aplicação do Custo do Ciclo de Vida . . . . . . . . 98
Sistema de bombeamento existente com uma válvula
de controlo de caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.6.2 Escolha do sistema de pressurização na fase de projecto . . . 99
5.7
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.
6.1
6.2
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.4
Sistemas de pressurização Grundfos . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistemas de pressurização com grupos electrobomba . . .
de velocidade fixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema Hydro 100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema Hydro 1000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema Hydro 2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistemas de pressurização com grupos electrobomba
de velocidade variável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema Hydro Solo E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema Hydro 2000 E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema Hydro 2000 F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Teste de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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105
105
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109
109
110
112
113
5
Índice
7.
7.1
7.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.2.4
7.3
7.3.1
7.3.2
7.4
7.4.1
7.4.2
Sistemas de controlo, comunicação e gestão . . . . . . . . . . .
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Controlo de sistemas de bombeamento . . . . . . . . . . . . . . . . .
Controlo por nível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Controlo por caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Controlo por pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Outros tipos de controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Comunicação entre sistemas de bombeamento . . . . . . . . .
Necessidade de comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Comunicação entre sistemas de controlo da mesma rede . .
Gestão integrada entre sistemas de bombeamento . . . . .
Monitorização e gestão de sistemas mistos . . . . . . . . . . . . .
Vantagens de um sistema integrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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121
122
8.
Instalação e manutenção de bombas e sistemas
de bombeamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Requisitos para instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Localização do equipamento de bombeamento . . . . . . . . .
Necessidades de ventilação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Utilização de reservatórios de membrana . . . . . . . . . . . . . . .
Instalação de sistemas de bombeamento . . . . . . . . . . . . . . .
Aspiração negativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aspiração de cisterna elevada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aspiração de uma rede sob pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Manutenção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Manutenção aos equipamentos de bombeamento . . . . . .
Manutenção aos sistemas de monitorização e controlo . . .
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8.4
8.4.1
8.4.2
9.
9.1
9.2
9.2.1
9.2.2
9.2.3
9.2.4
9.2.5
9.3
9.3.1
9.3.2
9.3.3
9.3.4
9.3.5
9.4
9.4.1
9.4.2
9.4.3
9.4.4
9.4.5
9.5
9.5.1
9.5.2
9.5.3
9.5.4
9.6
9.6.1
9.6.2
9.6.3
9.7
9.7.1
9.7.2
6
Sistemas de abastecimento público e predial no Porto . .
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema de abastecimento público . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aspectos gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elementos de dimensionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ramais de ligação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elementos de instrução dos processos de projectos . . . . . .
Entrada em serviço dos sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema de abastecimento predial de água . . . . . . . . . . . . .
Aspectos gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elementos dos sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Concepção dos sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Classificação dos sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dimensionamento dos sistemas prediais . . . . . . . . . . . . . . .
Sistemas prediais de distribuição de água fria . . . . . . . . . . .
Aspectos gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dimensionamento hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reserva predial de água para abastecimento doméstico . .
Instalações elevatórias e sobrepressoras . . . . . . . . . . . . . . . .
Dimensionamento dos reservatórios hidropneumáticos . .
Sistemas prediais de distribuição de água quente . . . . . . .
Aspectos gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aparelhos produtores de água quente . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Necessidades de água quente e escolha dos aparelhos
de produção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistemas de distribuição de água quente com recirculação
Traçado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aspectos gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Isolamento das canalizações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Execução das redes prediais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elementos acessórios da rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Torneiras e fluxómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Válvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
131
135
135
135
135
136
136
136
137
137
137
137
138
141
141
141
141
141
143
145
145
145
145
146
147
147
147
148
148
148
148
148
9.7.3
9.8
9.8.1
9.8.2
9.8.3
9.9
Contadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verificação, desinfecção e funcionamento hidráulico . . . .
Verificação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Desinfecção dos sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Prova de funcionamento hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
149
150
150
150
151
152
10.
10.1
10.2
10.2.1
10.2.2
10.3
10.3.1
10.3.2
10.3.3
10.3.4
10.3.5
10.4
10.5
Sistemas de abastecimento público e predial em Lisboa . .
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Concepção global dos sistemas de distribuição em Lisboa . .
Aspectos gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Caracterização da rede de Lisboa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Concepção global dos sistemas prediais em Lisboa . . . . . .
Aspectos gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Estrutura do Manual de Redes Prediais . . . . . . . . . . . . . . . . .
Descrição dos capítulos estruturantes do Manual . . . . . . .
Outras publicações complementares . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Resultados práticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Enquadramento legislativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
153
157
157
157
157
163
163
164
164
175
175
176
177
11.
Sistemas de rega sob pressão: eficiência, polivalência
e economia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Classificação dos sistemas de rega . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistemas de rega por gravidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistemas de rega sob pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polivalência dos sistemas de rega . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Águas convencionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Águas não convencionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eficiência de rega e sua classificação . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eficiência de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eficiência de distribuição; referência ao coeficiente de
uniformidade de distribuição de água de christiansen . .
Eficiência de aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eficiência de armazenamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eficiência de uso de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eficiência total de rega . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eficiência de rega e consumo de energia nos sistemas
de rega sob pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Valores médios e técnicas de maximização da eficiência
de rega . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elementos e parâmetros de rega a utilizar no cálculo
do consumo de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Consumo anual de energia para instalações de rega
sob pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1
11.2
11.2.1
11.2.2
11.3
11.3.1
11.3.2
11.4
11.4.1
11.4.2
11.4.3
11.4.4
11.4.5
11.4.6
11.5
11.5.1
11.5.2
11.5.3
11.6
11.7
12.
12.1
12.2
12.2.1
12.2.2
12.2.3
12.2.4
12.3
12.3.1
12.3.2
12.4
Aplicação de sistemas de pressurização em processos
industriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Critérios de selecção de equipamento de processo . . . . . .
Qualidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Saúde ocupacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Exemplos de aplicação industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Filtração por Osmose Inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuitos térmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Referências bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
179
183
183
183
184
186
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205
205
205
205
205
206
206
206
207
211
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
1. EVOLUÇÃO HISTÓRICA DOS SISTEMAS
DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA A LISBOA
Autores:
Margarida Ruas Gil Costa
Directora do Museu da Água
Raul Fontes Vital
Historiador e Arquivista,
Responsável pelo Arquivo Histórico
do Museu da Água
7
8
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
O Museu da Água da EPAL
O Museu da Água da EPAL, inaugurado no dia 1 de Outubro de 1987, abrange 4 núcleos: o Aqueduto das Águas Livres, os
reservatórios da Mãe d'Água, Patriarcal e a Estação Elevatória a Vapor dos Barbadinhos. Este último integra a sala das
Máquinas a Vapor, a Sala de Exposições Permanentes, a Sala de Exposições Temporárias e o Arquivo Histórico. Este conjunto
de monumentos e edifícios, construídos entre o século XVIII e XIX, encontram-se indissociavelmente ligados à história do
abastecimento de Água.
O Museu constitui, acima de tudo, local de criatividade e de encontro de culturas, onde o cenário de fundo nos é dado através
desta luta de séculos travada pelo homem pela conquista da água, e de tudo o que ela representa no acumular de conhecimento científico e tecnológico, e de capacidade criativa do génio humano.
O Museu da Água é o único em Portugal com o Prémio do Museu do Ano do Conselho da Europa (1990), o mais alto galardão
atribuído por esta entidade. Este prémio destaca todo o museu que contribua para o entendimento e conhecimento da
herança cultural europeia, bem como para a consciencialização da sua identidade e problemas comuns.
Existimos fisicamente no mundo, em Portugal, na cidade de Lisboa e oferecemos um conjunto de quatro monumentos que
constituem o Museu da Água, preservados e organizados museologicamente. Recebemos visitantes nacionais e internacionais,
dispomos de um serviço educativo para as escolas, de um Arquivo Histórico que ajuda a entender a Inteligenzia portuguesa
e que é consultado por académicos, estudantes e especialistas.
Os museus são lugares de criatividade onde se aprende sempre mais, polarizadores de cidadania (o seu ethos na dupla perspectiva filosófica e prática), que provocam a mudança de mentalidades, que fazem acontecer e que contribuem para a
sedimentação das identidades que cumprem a diversidade do País e dos diferentes povos que aí vivem.
A identidade do Museu junta-se à identidade da EPAL e de Portugal constituindo-se como parte da nossa cultura e como
mensageiro desse espírito, do nosso conhecimento e do pensamento. A identidade desempenha um papel fundamental na
configuração do mundo e na construção do eu do ser humano. Os Museus são cada vez mais complementos e auxiliares das
escolas, universidades, das famílias consideradas como reguladoras sociais capazes de reunir pessoas à volta de necessidades
comuns.
Os prémios Internacionais legitimam e celebram o sucesso do Museu, da EPAL e também de Portugal. Mas para além desse
sucesso evidente para a opinião pública nacional e internacional o maior sucesso é fazer a diferença na vida de muitas crianças
e de adultos a quem provocamos na sua criatividade, ajudando-os a combater o medo que nos retira o direito de viver, de
pensar livremente, de rir, de sentir prazer e de não envelhecer.
A estratégia de comunicação do Museu da Água é provocadora na forma como chega às escolas, estimulando a investigação,
alertando para o ambiente, a preservação e animação do património, códigos de comportamento numa perspectiva sincrética
que junta o mundo todo no principio da reciprocidade (tudo o que fazemos é importante e atinge o meio em que vivemos
e por sua vez nos atingirá). As exposições que organizamos são discursos abertos e imprevistos que densificam a dimensão
artística, dando oportunidade aos mais novos e intensificando o prestígio dos mais conhecidos cumprindo a educação
permanente.
O Mundo, todo ele, é um Património Precioso, o Equilíbrio Perfeito, a Harmonia Absoluta. É uma dádiva viver no respeito e
na reciprocidade do que nos rodeia. As percepções espirituais, racionais e sensoriais completam a construção do Eu cumprindo
a observação cabal do Todo.
Existimos numa cadeia una, indissociável que, quando um elo se quebra, afecta o todo que somos nós, os outros e o
próprio Mundo.
É dever dos povos construir a eternidade partilhando o conhecimento e preservando a vida e o património. Tudo é património,
tudo é passado, presente, futuro e a Grundfos consubstancia este manifesto.
9
10
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
1.1 Introdução
Does Technology drive History? Esta é a pergunta formulada
por Merrit Roe Smith num conjunto de trabalhos publicado,
em 1994, pelo Massachussets Institut of Technology – MIT,
onde diversos autores debatem a dialéctica entre o construtivismo e o determinismo tecnológico. A tecnologia
surge como resposta às necessidades do homem, ou é ela
que determina o sentido da sua evolução? Poder-se-á dizer
que, os defensores de ambas as teses, todos têm razão. Por
um lado, o homem desenvolve a tecnologia em busca de
soluções para melhorar o seu bem-estar, e, por outro, a
própria tecnologia gera, no homem, novas condições de
vida e novos desenvolvimentos não pré-determinados.
A indústria da água, num conceito lato que possa abranger
todas as formas desenvolvidas pelo homem, ao longo dos
tempos, para captar, aduzir, tratar e distribuir este elemento
básico e indispensável à vida, constitui um laboratório excelente para este debate, sobretudo se tivermos em atenção
que o seu desenvolvimento sob a forma de utilização de
técnicas mais complexas não pode ser desligado do fenómeno urbano. É a complexificação das formas de agrupamento dos homens que gera a consequente complexificação das técnicas empregues para a utilização do elemento
água.
Nesta indústria, cuja evolução abordaremos, desde as origens
até aos nossos dias, para o caso de Lisboa, convergem uma
diversidade de factores, desde o conhecimento científico e
tecnológico, conhecimento não apenas relativo à água, às
suas características e qualidade, à geologia das suas origens,
mas também aos materiais utilizados nas condutas, às
possíveis formas para a sua condução, aos equipamentos
concebidos para a sua elevação, para o seu armazenamento
e para a sua distribuição, às técnicas administrativas e
financeiras que possibilitam o desenvolvimento desta
actividade, e a outros diferentes ramos do conhecimento.
A indústria da água é, pois, um campo de estudo pluridisciplinar, onde as diversas ciências têm lugar, incluindo as
ciências sociais, dado que, sem a análise do fenómeno
político, sociológico, ou, até mesmo, ideológico, não é possível
atingir uma compreensão global do seu desenvolvimento.
Assim, procuraremos, neste capítulo, abordar, ainda que de
forma sucinta, o que foi o abastecimento de água a Lisboa
desde as suas origens nos abastecimentos locais, à condução da água graviticamente até à cidade, sem utilização
de meios mecânicos, à utilização de máquinas, primeiro a
vapor e, mais tarde, eléctricas, à captação de águas em poços
profundos, distantes da cidade, à sua captação em rios e em
barragens, agora com complexos sistemas de tratamento,
adução e distribuição, e com uma elevada produção susceptível de proporcionar um abastecimento a um número
cada vez maior de consumidores.
É este o caminho que iremos percorrer a seguir.
1.2 Das origens ao aqueduto romano de
Olisipo
Ao analisarmos o caso de Lisboa, temos que ter em consideração, logo à partida, o enquadramento geográfico do sítio.
Trata-se de um porto natural, junto à foz do Tejo, um local
privilegiado para o cruzamento de povos e culturas diversos,
uma rota natural de migrações.
Sendo muito embora o sítio de Lisboa banhado pelas águas
do rio, a sua situação, no estuário, inviabiliza a sua utilização
como fonte de abastecimento de água em virtude de as
águas do rio se misturarem com as do mar. Há que, portanto,
procurar ver de que outros recursos dispunham as populações que aí se fixaram.
Os primeiros mananciais a serem utilizados foram os da
zona ribeirinha, na base da colina do castelo, apesar de outros
existirem em zonas circundantes. Porém, e dado que os
primeiros habitantes do sítio de Lisboa se terão fixado,
até por razões de estratégia defensiva, na colina do castelo,
as águas abundantes das nascentes ribeirinhas eram suficientes para as suas necessidades.
Os Romanos, quando dominaram a Península Ibérica, não
se deram por satisfeitos com estas águas, e foram procurá-la
em zonas mais distantes.
Efectivamente, a região de Lisboa é cortada por um conjunto
de vales que a envolvem, e de onde seria de esperar a
obtenção de águas susceptíveis de serem utilizadas. De
norte para leste, a vasta depressão que se estende desde
Odivelas a Sacavém, onde encontramos a bacia do Trancão,
cuja utilização virá a ser equacionada no século XX, não
oferecia condições de captação nessa época face à ausência de
tecnologias adequadas, só disponíveis nos tempos modernos.
A ocidente, também a ribeira de Alcântara não possibilitava
a utilização das suas águas para consumo. Contudo, continuando na direcção da serra de Sintra, toda a bacia hidrográfica que, entre margens alcantiladas, corta o andar de
Belas, onde um grande número de nascentes provenientes,
alternadamente, de camadas calcárias, que secavam na
estiagem, e de camadas de grés e arenitos, nascentes estas
perenes, debitavam água para as ribeiras, constituía o palco
ideal para o aproveitamento das águas, já que as cotas a
que estas ribeiras correm permitia a construção de sistemas
de abastecimento que conduzissem daqui a água para Lisboa.
Aí, no vale de Carenque, construíram os Romanos uma
barragem de contrafortes no século II ou III da era de Cristo,
a barragem de Olisipo, cujas ruínas ainda hoje são visíveis,
e, a partir desta, um aqueduto que transportava a água
para a cidade, chegando à colina do castelo, provavelmente
às portas de Santo André. A esta barragem, que seria talvez
a maior da Península, foi atribuída uma capacidade da
ordem dos 125.000 m³.
11
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
De facto, as diversas nascentes da zona oriental, designadas
normalmente por águas orientais, em oposição às águas do
futuro sistema das Águas Livres, que serão designadas por
águas altas, apresentam uma temperatura elevada, da ordem
dos 22 a 24°, muito superior à temperatura das águas existentes nas nascentes do termo de Lisboa, quer nas nascentes de Monsanto, caso das águas dos basaltos, estas só mais
tarde analisadas, porque distantes da cidade, ou das outras
águas então conhecidas e que cedo vieram a ser exploradas, como as que, mais a ocidente, apareciam no Arsenal
da Marinha, ou que vieram a abastecer o chafariz do Rossio.
Fig. 1 - Ruínas da barragem romana de Olisipo
A evidência do aqueduto romano chega-nos não pelos seus
vestígios materiais, - para além do que resta da barragem,
apenas se conhecem pequenos vestígios de aqueduto no
sítio do Almarjão, no concelho da Amadora - mas pelo
testemunho que dele dão vários autores a partir do século
XVI, como o humanista português Francisco de Olanda que,
em 1572, virá a propor a sua reconstrução.
Os Romanos, aliás, eram um povo de avançada civilização,
com uma grande tradição de utilização da água. São bem
conhecidas as suas termas, não apenas em Roma, mas também aqui em Lisboa e em muitas outras cidades do Império,
e em Roma o abastecimento era feito por um conjunto de
aquedutos ainda em funcionamento nos tempos modernos,
e que proporcionariam uma capitação largamente superior
a 500 litros/dia/habitante.
Além da sua temperatura elevada, pelas suas características
físico-químicas eram estas águas reputadas como possuindo
propriedades terapêuticas para a cura de diversas doenças,
estando, devido a tal facto, incluídas no Aquilégio Medicinal,
obra da autoria de Francisco da Fonseca Henriques, publicada
em 1726.
O chafariz mais antigo da cidade, o Chafariz d'El-Rei, deve o
seu nome às grandes obras que aí se realizaram no reinado
de D. Dinis, desconhecendo-se a data concreta da sua
construção. Posteriormente outros foram edificados na
mesma zona, como o Chafariz de Dentro, ou dos Cavalos,
o Chafariz dos Paus, o Chafariz da Praia, o tanque das
lavadeiras de Alfama ou a Bica do Sapato, esta já mais a
leste do bairro. Também os estabelecimentos termais
merecem referência, como as Alcaçarias do Duque, ou os
banhos do Batista ou os da D. Clara.
Em Portugal há que referir, em particular, o aqueduto
romano da Água da Prata, em Évora, construído por Quinto
Sertório em 75 a.C., e reedificado pelo rei D. João III em
1531, aqueduto cujo regimento servirá de modelo para o
que se virá a construir em Lisboa no século XVIII.
1.3 Os antigos chafarizes de Lisboa
Destruídas que foram muitas das obras dos Romanos pelos
povos bárbaros, invasores do Império, entre as quais o
aqueduto que abastecia Lisboa, também as necessidades
de água diminuíram face, por um lado, ao decréscimo da
população, e, por outro, aos diferentes hábitos de consumo
dos invasores, certamente satisfeitos com os recursos locais,
menos abundantes.
É no sítio das nascentes da zona ribeirinha, nos mananciais
das camadas profundas do Terciário da colina do castelo,
que irão surgir, ao longo dos séculos, chafarizes destinados
ao abastecimento das populações. Já os Árabes, durante a
sua ocupação, aí terão construído dispositivos - a palavra
chafariz tem mesmo origem árabe - para a recolha das
águas, e o próprio nome de Alfama dado ao local é reminiscência das nascentes de água termais que aí se encontram.
12
Fig. 2 - Chafariz d'El Rei
1.4 Propostas para a reconstrução do
aqueduto romano
O aumento da população da cidade, designadamente pelo
efeito da expansão marítima, cedo arrastou consigo a falta
de água.
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
À semelhança daquilo que se fazia um pouco por todo
o lado onde a influência dos Romanos se fizera sentir,
também Francisco de Olanda, na sua obra Da fábrica que
falece à cidade de Lisboa, publicada em 1572 e dirigida ao
rei D. Sebastião, propõe a reconstrução da barragem romana
de Olisipo e do seu aqueduto.
de governação. A cidade ocidental, onde se situava o Paço
da Ribeira, seria a cidade do poder, uma nova Roma cheia de
palácios e monumentos, e aí, na zona da actual Estrela, viria
a ser construído um novo palácio real e uma nova basílica
patriarcal, projecto que D. João V encomenda ao arquitecto
italiano Filipe Juvarra.
Para custear a obra foi lançado mais tarde o real d'água,
imposto pago nos géneros de primeira necessidade, tendo
o Senado de Lisboa arrecadado mais de seiscentos mil
cruzados, suficientes para a concretização do projecto, os
quais, porém, vieram a ser gastos nas festas que a cidade
organizou em honra do rei Filipe III de Espanha, que era
Filipe II em Portugal, quando da sua entrada em Lisboa, no
dia 29 de Junho de 1619.
Era o coroar de toda uma política de grandeza e protecção
às artes, possibilitada pela afluência do ouro do Brasil à
metrópole, e por todo um saber trazido de outros países,
sobretudo de Itália, transmitido por um grande número de
arquitectos que em Mafra desenvolveram as suas escolas.
No entanto, a obra ia realizar-se, pois após a estadia do
rei na cidade, há muita correspondência trocada entre
Madrid e Lisboa, sinal de que havia uma intenção clara de
se solucionar o problema da falta de água. E tudo apontava
para a reconstrução do aqueduto romano, já que Leonardo
Torreano, arquitecto que acompanhou o rei e que com ele,
no dia em que visitaram Sintra, examinou a barragem
romana e as nascentes vizinhas, refere, entre os vários
caminhos possíveis para a condução da água livre a Lisboa,
que "el quarto y ultimo camino, és por el aqueducto antigo
de los Romanos, el qual por ir mas alto dies palmos que el
de la estrada puede dar Agoa a ambas partes de la Ciudad,
a San Roche, y sobre la puerta de Santo Andres, como dio
antigamente, pues abra quantidad bastante pera ella"1.
O projecto acabou por não se concretizar devido à restauração da independência de Portugal em 1640 e ao longo
período de guerra com a Espanha, durante o qual não havia
condições para se desviar recursos financeiros para uma
obra desta envergadura.
1.5 O Aqueduto das Águas Livres
Apenas no reinado de D. João V se veio a resolver o problema
da falta de água em Lisboa com a construção do Aqueduto
das Águas Livres, aqueduto que, de alguma forma, terá
seguido de perto o traçado do antigo aqueduto romano.
Do século XVII somente tinham ficado intenções, projectos
no papel, pequenas obras pontuais que não solucionavam
as dificuldades da cidade, muito embora se tivesse aprofundado o conhecimento relativo às nascentes que alimentavam a bacia hidrográfica dos vales de Carenque e da
Quintã, na zona da barragem romana, conhecimento
patente no Roteiro das águas de Montemor e Caneças, do
arquitecto Tinoco.
Em 15 de Janeiro de 1717 D. João V dividiu a cidade de
Lisboa em duas cidades independentes, Lisboa Oriental e
Lisboa Ocidental, cada uma com o seu bispo e os seus órgãos
1
Veloso de Andrade, Memória sobre Chafarizes Fontes e Bicas, p. 273.
No entanto, esta cidade nova continuaria a depender da
cidade antiga e dos seus chafarizes no que respeita ao
abastecimento de água, já que os mananciais disponíveis
eram os da zona oriental, já constatados como insuficientes
para as necessidades. Assim, e por insistência do Procurador
da cidade ocidental, Cláudio Gorgel do Amaral, o rei veio a
publicar, em 12 de Maio de 1731, o Alvará onde mandava
dar início à obra do aqueduto, dando assim prioridade à
obra pública, em prejuízo do projecto do novo palácio real.
Os incêndios que a seguir ao Terramoto de 1755 destruíram
o Paço da Ribeira não nos permitem conhecer o projecto
inicial, dirigido pelo arquitecto italiano António Canevari.
Contudo, das críticas que lhe são feitas pelo português
Manuel da Maia numa série de considerandos técnicos
dirigidos ao Rei, na esperança de vir a assumir a direcção
das obras, podemos concluir com bastante segurança que
Canevari pretenderia conduzir as águas até Lisboa sob
pressão, em canalizações fechadas, enterradas, em tudo
semelhantes aos actuais sifões, na época designados por
"canos de repucho", aplicando o princípio dos vasos
comunicantes.
Manuel da Maia contrapõe que os canos de repucho não
suportariam a pressão da água, rebentando e deixando a
cidade sem água, ficariam entupidos pelos sedimentos
arrastados por esta, e acusa mesmo Canevari de não estar
a medir correctamente os nivelamentos dos terrenos, ficando,
por conseguinte, a obra mal feita. Manuel da Maia e
Canevari divergiam também na forma de medição da
produção das nascentes, encontrando o italiano valores
inferiores aos do português.
Face a todos estes ataques, Canevari regressa a Itália e
Manuel da Maia é encarregado, em Agosto de 1732, de
assumir a condução dos trabalhos, numa direcção conjunta
com o arquitecto Silva Pais e o engenheiro Azevedo Fortes.
Manuel da Maia abandona as várias frentes de trabalho
abertas por Canevari, e que denotavam a consciência clara
da necessidade de aproveitar a água de diversas nascentes,
e muda-se para uma outra nascente, a da Água Livre, que
era mesmo a mais abundante. Havia que chegar rapidamente com água a Lisboa, posteriormente os caudais do
Aqueduto seriam aumentados com a água de outras
nascentes.
13
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
sozinho na direcção face à partida para o Brasil de Silva Pais,
e à frequente ausência de Azevedo Fortes, engenheiro-mor
do reino. Por outro havia divergências de opiniões acerca do
local para a travessia do Vale de Alcântara. Manuel da Maia,
certamente, construiria um aqueduto menos monumental,
atravessando o vale numa zona menos profunda, provavelmente por Palhavã, para atingir S. Pedro de Alcântara, às
portas do Bairro Alto, onde entretanto haviam começado as
obras para a construção do reservatório de chegada das
águas.
Fig. 3 - Mãe d'Água Velha - Nascente da Água Livre. Local onde
Manuel da Maia iniciou os seus trabalhos.
Em cena estava um outro arquitecto, Custódio Vieira, que
já vinha acompanhando os trabalhos desde o início, pois
participara em reuniões e medições diversas, e que tinha uma
solução diferente, a construção de uma série monumental
de arcos a atravessar o vale na sua parte mais profunda.
Era um projecto mais arrojado, mais ao gosto do rei, e que
apontava para uma zona mais alta, para onde a cidade estava
a crescer.
Muito embora Manuel da Maia conhecesse o princípio dos
vasos comunicantes, vai construir um aqueduto através
do qual a água vai chegar a Lisboa apenas movida pela
gravidade, deslizando em caleiras de pedra abertas. Maia
opta pela construção de duas caleiras, separadas por um
passeio central, pois que, para uma boa manutenção do
Aqueduto, tornar-se-ia necessário limpar frequentemente
as caleiras, e assim, com duas, a condução da água não seria
interrompida.
Fig. 5 - Arcaria do Vale de Alcântara
Fig. 4 - Caleiras separadas pelo passeio central
Relativamente aos materiais a utilizar nas canalizações,
rejeita o chumbo, que dava más características à água, tal
como rejeita o ferro, que, na época, ainda não apresentava
uma qualidade suficiente para esta finalidade, e todos os
outros materiais à excepção da pedra calcária, abundante
em toda a região onde se vai desenvolver a construção do
Aqueduto.
Em 1736 já se trabalhava no Aqueduto em Monsanto, no
sítio das Três Cruzes, caindo então a obra num impasse.
Por um lado, Manuel da Maia encontrava-se praticamente
14
A transferência da direcção das obras para este novo arquitecto é determinante para a evolução da cidade. Abandona-se
a obra de S. Pedro de Alcântara e escolhe-se a confluência
do Rato, próximo da qual novos pólos urbanos se vinham
desenvolvendo junto aos conventos, para a nova localização
do reservatório. Aliás, podemos constatar hoje, pelos desenvolvimentos ulteriores do sistema, das vantagens desta
nova localização do reservatório e desta nova inflexão do
Aqueduto, que possibilitou a extensão dos seus ramais de
distribuição para a Boa Morte, em Alcântara, zona próxima
da qual surgirá o palácio das Necessidades, e para o Campo
de Santana e Intendente, quase a tocar a colina do Castelo,
onde outrora o aqueduto romano terá chegado.
Vieira não chega a ver a água entrar em Lisboa, ela só
chegará em 3 de Outubro de 1744, já após a sua morte,
estando a obra a ser dirigida interinamente pelo capitão
Rodrigues Franco.
A entrada de Carlos Mardel na direcção das obras do
Aqueduto terá lugar logo de seguida, devendo-se a este
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
arquitecto, de origem húngara, o desenvolvimento da
distribuição da água na cidade, a partir do reservatório da
Mãe d'Água das Amoreiras, cujo projecto se lhe deve, bem
como o de diversos chafarizes e dos arcos monumentais da
Rua das Amoreiras, que celebra a obra, e da Rua de S. Bento,
este desmontado para alargamento da entrada na praça
fronteira ao palácio, e mais tarde reconstruído na Praça
de Espanha.
faziam a manutenção do sistema e geriam os caudais do
Aqueduto, e um exército de cerca de 3000 aguadeiros que,
organizados em companhias, vendiam água ao domicílio e
igualmente combatiam os incêndios que devastavam a cidade.
A gestão dos caudais no Aqueduto apresenta alguns aspectos
que devem aqui merecer a nossa atenção, e à luz dos quais
também temos que fazer uma leitura das soluções técnicas
e arquitectónicas adoptadas para o efeito.
Já foi atrás referida a diversidade das águas no que respeita
às suas características físico-químicas. Umas, fortemente
calcárias, como as da nascente da Água Livre, na Mãe
d'Água Velha, provocavam, pela precipitação do calcário,
incrustações que era necessário remover periodicamente,
raspando as caleiras. De outras nascentes, situadas em
camadas de grés e arenitos, a água arrastava sedimentos
que a turvavam. Aqui era necessário proceder à sua
decantação, pelo que, em diversas clarabóias, encontramos
bacias redondas onde a água perde velocidade, depositando-se os sedimentos no fundo. Também junto de cada janela,
agora mais rasgadas face a uma maior necessidade de
laboração, bacias rectangulares desempenhavam idênticas
funções, bem como as de quebrar a velocidade da água.
Fig. 6 - Reservatório da Mãe d´Água das Amoreiras
O sistema do Aqueduto das Águas Livres, onde, num aqueduto com cerca de 14 quilómetros de extensão, entroncam
aquedutos que reúnem águas de sessenta nascentes, num
total de aproximadamente 58 quilómetros de aquedutos,
incluindo os de distribuição na cidade, foi dado por concluído
em 1799, quando foi dissolvida a última sociedade de mestres
pedreiros, empreiteiros da obra.
Dada a tecnologia utilizada de condução da água em caleira
aberta, o Aqueduto condicionou a forma de abastecimento
a uma rede de chafarizes que se foram construindo até
quase meados do século XIX, rede esta que, por sua vez,
condiciona o próprio crescimento da cidade.
Lisboa estende-se então, dos Barbadinhos, onde na zona
ribeirinha corriam as águas orientais, até Alcântara, onde
vemos o chafariz da Praça da Armada, e, para norte, seguindo
as encostas do Vale de Alcântara, os chafarizes das
Necessidades e do Arco do Carvalhão, este já a chegar ao
alto de Campolide, lhe delimitavam o perímetro. Ainda nos
limites norte da cidade, mais para leste, encontramos os
chafarizes de S. Sebastião da Pedreira, Cruz do Tabuado,
Campo de Santana e Intendente. Dentro deste perímetro,
os chafarizes que se construíram (Rato, Carmo, Loreto e
outros) eram, além de fontes de abastecimento, elementos
de ordenamento urbano que tornavam as praças onde
eram colocados em pontos de encontro, locais de convívio.
Em pleno século XIX, a "indústria da água", aplicando
aqui, num período de proto-industrialização, um conceito
contemporâneo, empregava uma equipa de 60 homens que
Fig. 7 - Bacia de decantação redonda
Normalmente, nos vértices, as bacias apresentam dimensões superiores, o que permite evitar que a água transborde.
Regra geral, no Aqueduto não há galerias em curva, antes
uma sucessão de segmentos de recta. Nos poucos locais
onde a solução adoptada pelo arquitecto foi a de construir
aqueduto em curva, aí o passeio central sobe, afundando,
consequentemente, as caleiras.
Na cidade iam-se generalizando os abastecimentos privados.
De um lado, os proprietários de águas nas zonas atravessadas pelo Aqueduto que, para receberem água no seu
palácio ou convento, em Lisboa, construíam, à sua custa,
15
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
aquedutos ligando as suas nascentes a um dos aquedutos
do sistema. Depois, em Lisboa, de um aqueduto de distribuição, partia uma canalização, agora fechada, aferida
para três quartos de um débito diário calculado como
sendo a sua produção, valor obtido a partir da medição da
produção das suas nascentes ao longo de vários meses do ano.
De outro lado havia os estabelecimentos públicos que
passaram a receber directamente água do Aqueduto, bem
como outros particulares ou ordens religiosas, beneficiários
de concessões de água, quer traduzidas em caudais determinados, quer em sobejos dos chafarizes. Entre estas entidades, são de notar as indústrias que despontavam, como
o caso da Real Fábrica das Sedas, cuja localização próxima
do Aqueduto é determinante para o desenvolvimento do
bairro das Amoreiras.
Havia ainda os jardins públicos, agora tornados possíveis,
que recebiam água directamente do Aqueduto, como o
Passeio Público e o Passeio da Estrela, este com um aqueduto
que, saído do Aqueduto das Janelas Verdes, aí conduzia a
água, o outro recebendo-a a partir da mesma galeria que
abastecia o chafariz da Cotovia.
Para a gestão de todo este sistema vemos, nos aquedutos
de distribuição, não apenas caleiras abertas, mas também
canalizações fechadas, com algumas pedras amovíveis para
se poder limpar o seu interior, colocadas frequentemente
em paralelo com as caleiras abertas, a fim de, a partir de
bacias intermédias, como a pia do Penalva, no cruzamento
da Rua Formosa (hoje Rua do Século), ou a pia do Teotónio,
próximo do Arco das Amoreiras, a água ser conduzida com
pressão, aplicando-se o princípio dos vasos comunicantes,
por forma a possibilitar a sua chegada a pontos mais
elevados. Exemplos disso são as colunas ascensionais que
permitiam a subida da água às bicas dos chafarizes.
Fig. 9 - Chafariz do Carmo
Do grande reservatório da Mãe d'Água das Amoreiras
apenas saía água para os chafarizes abastecidos pelo
Aqueduto da Esperança e para o chafariz do Rato. Para os
chafarizes da linha do Loreto a água descia mais atrás, por
um pilar de um dos últimos arcos, seguindo em canalização
fechada, sob pressão. Se assim não fosse, e de acordo com
Veloso de Andrade, "se deste Depósito corresse para os dez
Chafarizes acima mencionados, só a água que ele contém,
ficaria despejado em seis dias"2.
Para controlar todo este sistema havia que possuir um
exacto conhecimento das dotações atribuídas aos diversos
consumidores privilegiados, proprietários de água ou não, da
água que corria para os chafarizes e da que era produzida
pelas nascentes.
Em média chegavam a Lisboa 3500 m³ de água por dia,
baixando os caudais a cerca de metade desse valor durante
a estiagem. Porém, nos meses de abundância, a produção
das nascentes era largamente superior à capacidade de
vazão do Aqueduto. Assim, tornava-se necessário regular os
caudais, devolvendo a água às ribeiras em desaguadouros
estrategicamente colocados ao longo dos diversos aquedutos, diminuindo ou eliminando o caudal das caleiras, para
que a água de outra nascente pudesse entrar no circuito
num entroncamento situado a jusante. Havia também que
eliminar, através destes desaguadouros, águas turvas a
seguir a fortes chuvadas, ou que se soubesse ou houvesse
suspeitas de estarem contaminadas. Daqui resultava a
manutenção equilibrada dos cursos de água naturais,
naquilo a que hoje se aplica a designação de desenvolvimento sustentável.
Fig. 8 - Coluna ascensional do chafariz do Carmo
16
2
Veloso de Andrade, o. cit., p. 330.
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
1.6 Os projectos de Pezerat face à falta
de água no século XIX
1.7 A 1ª. Companhia das Águas (1856) e o
começo do abastecimento domiciliário
A situação em Lisboa, nos meados do século XIX, tornou-se
dramática, não atingindo, na estiagem, a água aduzida pelo
Aqueduto, em que haviam sido dispendidos, até 1799, mais
de cinco mil e duzentos contos de reis, uma capitação superior a 6 ou 7 litros/dia/habitante, para uma população que
rondaria os 300.000 habitantes.
Em 20 de Julho de 1855 foi o Governo autorizado a contratar
em concurso público o fornecimento das águas precisas
para o abastecimento de Lisboa, na sequência de idênticas
diligências que tiveram lugar anteriormente, mas que não
haviam conduzido a nenhuma solução.
Em 1852 o Engenheiro Pezerat, da Câmara Municipal de
Lisboa, apresentou diversos planos no sentido de se aumentar
os volumes de águas disponíveis.
No que se refere às águas orientais, poder-se-ia evitar a
sua perda para o Tejo represando-as na zona ribeirinha e
elevando-as aí, com máquinas a vapor, para um reservatório a edificar em Santa Luzia. Pezerat estima em 790 m³
diários a quantidade de água que assim se poderia aproveitar,
prevendo, para esta obra, um custo de 111:573$000 reis.
Relativamente às águas altas, projecta a construção de uma
grande reserva de água no vale da Quintã, com uma capacidade prevista de 1 300 000 m³, destinada a armazenar, no
Inverno, água que poderia ser utilizada na estiagem,
reduzindo desta forma a sua carência na cidade. Desta
albufeira, onde os lodos se depositariam, a água passaria
por um sistema de filtros de areia para outra, construída
mais abaixo, no vale de Carenque, próximo da Mãe d'Água
Velha. Esta água, purificada, e por um processo de sifonagem,
entraria no Aqueduto, chegando desta forma à cidade. Para
este sistema de barragens prevê Pezerat um orçamento de
88:689$940 reis.
Em 1855, e antes do referido concurso, uma empresa
constituída pelos ingleses Duarte Meddlicot e Thomas
Rumball efectua um contrato provisório com o Governo,
contrato este que não podia, no entanto, ser ratificado sem
o respectivo concurso público.
Quem veio a ganhar efectivamente o concurso foi a outra
empresa concorrente, que tinha como directores Alberto
Carlos Cerqueira de Faria, Filipe Folque e Bento Coelho da
Fonseca, estabelecendo-se em 1856 e firmando o contrato
com o Governo em 29 de Setembro de 1858, tomando-se
como base para as condições do contrato a população da
cidade em 220.000 habitantes. Nascia, assim, a Companhia
da Empresa das Águas de Lisboa (1ª. Companhia).
A Companhia vai recorrer aos serviços do engenheiro
francês Mary, de Paris, que organiza diversos planos no
sentido de aumentar a capacidade de produção do sistema
do Aqueduto e desenvolve projectos para o início do
abastecimento domiciliário na cidade. Contudo, e apesar de
a utilização de máquinas a vapor já ser corrente um pouco
por toda a Europa, utilizando-se já as "pompes à feu" em
Paris no século XVII para elevação da água, Mary não vai
utilizar máquinas em Lisboa, vai antes aplicar unicamente
o princípio dos vasos comunicantes, agora, porém, com a
utilização de sifões de ferro fundido.
No que diz respeito à captação de águas, Mary vai construir
um novo aqueduto subsidiário do Aqueduto das Águas Livres,
o Aqueduto da Mata, que traz ao principal as águas de
Belas, do Brouco, Vale de Lobos e Vale de Figueira. Por outro
lado, são nessa época continuados os trabalhos no
Aqueduto das Francesas, para se trazerem a Lisboa as águas
da Serra de Carnaxide. Nesta matéria a Companhia despreza
a opinião do geólogo General Carlos Ribeiro, favorável à
captação de água no Tejo, a montante de Santarém.
Fig. 10 - Projecto de Pezerat para as reservas de águas nos vales da
Quintã e Carenque
Os projectos de Pezerat acabaram por não ser concretizados
dados os perigos que as reservas projectadas, a céu aberto,
poderiam representar para a saúde pública. Por outro lado,
em breve outras soluções iriam aparecer, com a constituição da 1ª. Companhia das Águas de Lisboa.
Relativamente à distribuição, Mary divide a cidade em três
zonas altimétricas, baixa, média e alta, e estabelece uma
rede de reservatórios para regularizar a distribuição de
forma a ter pressões constantes e suportáveis pelas canalizações. Assim, na parte ocidental da cidade, para a zona
alta, no alto de Campolide, constrói o reservatório do
Pombal, a zona média virá a ser abastecida pelo reservatório do Arco, situado um pouco acima do Arco das
Amoreiras, e para a zona baixa será construído o reservatório da Patriarcal, no subsolo da Praça do Príncipe Real.
A parte oriental da cidade será abastecida por duas cisternas,
uma na igreja da Penha de França e outra na Graça, na cerca
de S. Vicente.
17
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
O Governo, porém, não reconheceu às águas do Tejo qualidade suficiente para serem introduzidas no abastecimento,
já que o contrato estipulava que todas as novas águas a
serem aproveitadas não deveriam ser de qualidade inferior
às do Aqueduto das Águas Livres. Tal opinião veio a acelerar
a rescisão unilateral do contrato por parte do Governo, que,
por Decreto de 23 de Junho de 1864, pôs fim à Companhia.
Fig. 11 - Interior do reservatório da Patriarcal, vendo-se ao fundo a
galeria que o liga ao Aqueduto do Loreto
Estes reservatórios recebiam água do Aqueduto, estando
todo o sistema interligado por meio de sifões, colocados,
sempre que possível, dentro das galerias dos aquedutos do
sistema das Águas Livres. Na zona média, o reservatório do
Arco recebia directamente a água do Aqueduto, que o
delimita a sul, através de uma galeria. O reservatório da
Patriarcal era alimentado por um sifão colocado no
Aqueduto do Loreto. Para abastecimento da zona alta, e
estando esta acima da entrada das águas do Aqueduto,
Mary projectou um sifão instalado dentro do Aqueduto das
Águas Livres que, de cota suficientemente elevada na
Porcalhota, conseguia trazer água sob pressão ao reservatório do Pombal. Do Pombal saía água para a cisterna da
Penha de França através de um sifão colocado no Aqueduto
do Campo de Santana, e da Penha de França descia à Graça.
Uma das propostas da Companhia incluídas no seu contrato
era a da dupla canalização. À semelhança do que se praticava
em Paris, a Companhia pensava estabelecer uma rede de
distribuição de água de qualidade superior para consumo
humano, e outra de qualidade inferior para regas e lavagens.
Tal, porém, nunca entre nós veio a ser posto em prática.
A 1ª. Companhia não conseguiu vencer as dificuldades que
se lhe depararam, esgotou o seu capital nas obras, e
não conseguiu fornecer à cidade, nos prazos estipulados, a
quantidade de água a que se obrigara pelo contrato.
Já no final da sua curta existência, e solicitando novo prorrogamento de prazo ao Governo, a Companhia avançava com
a hipótese de captar água no Tejo, hipótese que, aliás, era
proposta pelo General Carlos Ribeiro e que a Companhia
rejeitara. Para Carlos Ribeiro, que não chega a estudar
exaustivamente a questão mas que entende que a água,
captada acima de Santarém, poderia ser filtrada pelas
camadas naturais do leito do rio e poderia, portanto,
resolver por largos anos o problema da sua falta na cidade,
a solução a adoptar seria semelhante àquela que outras
grandes cidades haviam adoptado, de recorrer aos rios que
as banhavam, introduzindo processos de depuração das
águas que a tecnologia já possibilitava.
18
Toda a acção da Companhia insere-se no mesmo paradigma
anterior, não se tendo, apesar da adopção do princípio dos
vasos comunicantes e do início do abastecimento domiciliário,
dado o "salto epistemológico" para um novo paradigma
tecnológico. O momentum tecnológico, utilizando aqui o
conceito desenvolvido por Thommas Hugges e que consiste
na definição de cada tempo e cada sistema tecnológico como
uma matriz cujos elementos componentes são o conhecimento científico e as técnicas, mas também os aspectos
sociais, políticos, económicos, procedimentos administrativos,
etc., matriz essa que tem raízes no momentum precedente,
mas que prolonga os seus efeito em momenta subsequentes,
continua a ser o do Aqueduto.
O desenvolvimento científico e tecnológico não havia ainda
atingido um estádio que permitisse fundamentar e levar
à prática as opiniões de Carlos Ribeiro, e dar suporte à
derradeira alternativa que a Companhia afinal possuía. Um
século mais tarde, num outro estádio de desenvolvimento
científico e tecnológico, o Tejo virá a ser a grande solução
para o problema da falta de água em Lisboa.
1.8 A 2ª. Companhia das Águas e o Alviela
No interregno entre a 1ª. e a 2ª. Companhia das Águas o
Governo, no Ministério das Obras Públicas, e pela mão do
Engenheiro Joaquim Nunes de Aguiar, coadjuvado pelo
Engenheiro Joaquim Pires de Sousa Gomes, irá desenvolver
o projecto do Alviela. O General Carlos Ribeiro não fora
favorável à opção pelo Alviela. A captação de água na
quantidade necessária para o abastecimento de Lisboa
acarretaria graves prejuízos para a agricultura daquela região.
Porém foi a opção do Governo face à apreciação feita das
águas do Tejo, e dado outras possíveis opções, como a das
nascentes da serra de Sintra, não terem viabilidade.
O projecto inicialmente delineado previa a condução das
águas desde os Olhos de Água até um reservatório a
construir numa zona alta fora da cidade, provavelmente no
Arco do Cego, funcionando, a partir daí, a gravidade para
as fazer chegar a todos os pontos da cidade. Para isto,
contudo, era necessário dar elevação à água por meio de
máquinas, havendo que construir uma estação elevatória
na zona das nascentes.
Entretanto, e perante as dificuldades da Câmara em satisfazer
as necessidades da cidade, Carlos Zeferino Pinto Coelho,
advogado e deputado conservador, homem que pertencera
à 1ª. Companhia, defende junto do Governo a solução
da constituição de uma nova companhia. Após várias
diligências e negociações, o contrato entre o Governo e a
nova companhia, de que Pinto Coelho será o Director, foi
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
celebrado em 27 de Abril de 1867, vindo a Companhia a ser
declarada oficialmente constituída por Decreto de 2 de
Abril de 1868. De imediato os engenheiros Aguiar e Sousa
Gomes ingressaram nos quadros da Companhia, trazendo
consigo os projectos já iniciados.
O objectivo principal da constituição da Companhia,
denominada CAL - Companhia das Águas de Lisboa, era a
concretização do projecto do Alviela, fornecendo à cidade
um volume de água correspondente a uma capitação
de 100 litros/dia/habitante, computando-se, no início da
exploração, a população a abastecer em cerca de 200.000
habitantes.
A primeira iniciativa da Companhia, logo em 1868, foi a da
construção de um reservatório e de uma estação elevatória
no sítio do antigo chafariz da Praia, para elevar para a
Verónica, na Graça, as águas orientais que se perdiam para
o Tejo, ideia já anteriormente defendida por Pezerat.
Porém, essa expansão será inferior ao pretendido enquanto
a Companhia não dispuser de um instrumento importante,
contemplado no contrato, que leve os particulares a contratar
o fornecimento de água - o regulamento dos encanamentos
particulares - obrigando os proprietários dos prédios acima
de um determinado nível de rendimento, a construir, à sua
custa, as canalizações nas habitações.
Na análise desta fase de industrialização do abastecimento
de água, não podemos deixar de ter em consideração
o facto de, agora, haver já um comércio internacional de
produtos industriais desenvolvido, e havermos entrado no
caminho da normalização das peças e acessórios utilizados
no abastecimento. Aliás, só em 1852 havia sido posto
em vigor, em Portugal, o sistema decimal para as medidas
lineares, arrastando-se, por alguns anos, a sua extensão às
outras medidas. O rigor e a universalidade necessários à
industrialização demoraram bastante tempo a alcançar.
Quanto ao Alviela, a Companhia alterou o projecto inicial.
Havia que construir uma estação elevatória a cerca de 100
km de Lisboa, já que era necessário dar uma elevação de 54 m
acima das nascentes para que a água conseguisse atingir a
cidade no ponto pretendido, o que era algo de bastante
complicado para a época, não só no que se referia à deslocação das peças das máquinas, mas sobretudo face às eventuais avarias e consequentes necessidades de reparação
das mesmas. Assim, a Companhia decidiu trazer as águas
livremente, pela gravidade, num aqueduto até Lisboa, e
aqui construir a estação que as elevava para as diferentes
zonas a abastecer.
Fig. 12 - Máquina a vapor da Estação Elevatória da Praia
Para esta estação a Companhia irá adquirir à casa Windsor
& Fils, engenheiros mecânicos estabelecidos em Ruão, na
Normandia, duas máquinas verticais de efeito duplo com
dois cilindros, de expansão variável e de condensação, ditas
do sistema Woolf. Cada uma destas máquinas tinha uma
capacidade de elevação de 1.900 m³ diários de água a uma
altitude de 73 m acima do nível do poço de alimentação das
bombas, incluindo a perda de carga. Cada máquina podia
produzir uma força de cerca de 23 cavalos-vapor de água
elevada, ou seja 30 cavalos-vapor sobre a árvore do volante.
As máquinas eram alimentadas por três caldeiras de sistema
vulgar, correspondendo cada uma a uma superfície de
aquecimento de 60 m², e consumiam, no máximo, 1,9 kg de
carvão por hora e por força de cavalo-vapor, de 75 quilogrâmetros.
A introdução da máquina a vapor no abastecimento de
água em Lisboa representava um passo importante na
evolução desta indústria, e vai possibilitar, de imediato,
uma expansão significativa do abastecimento domiciliário.
Fig. 13 - Entrada das águas no canal Alviela no recinto dos Olhos
d'Água
Embora o canal fosse mais extenso, as vantagens deste
novo projecto eram evidentes, havendo, inclusive, menor
necessidade de construção de obras de arte, o que diminuía
os custos do projecto.
O local escolhido para o reservatório de chegada e para a
estação elevatória foi a cerca do convento dos Barbadinhos
italianos, na periferia da cidade, na zona ribeirinha oriental.
A construção do sistema não se deu sem sobressaltos,
questões de natureza política que dificilmente foram ultrapassadas, mas em que à Companhia, no fim, acabou por
19
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
ser dada plena razão. Tratava-se da aprovação do regulamento das canalizações particulares, instrumento previsto
no contrato, e sem o qual a Companhia não conseguiria
garantir a sua sobrevivência económica.
A oposição da sociedade fez-se sentir contra um regulamento deste tipo, à semelhança do que iria acontecer, por
exemplo, no Porto alguns anos mais tarde, em contexto
semelhante, pois tal imposição representava um atentado
contra as liberdades constitucionais. Aqui, em Lisboa, a
Companhia, para conseguir a aprovação do regulamento,
acabou por parar as obras do Alviela em 1873, tendo que
enfrentar processos em tribunal. Ao fim de dois anos de
batalhas judiciais, quando veio a ter garantias de publicação do regulamento, retomou as obras, vindo o sistema
do Alviela a ser inaugurado em 3 de Outubro de 1880,
acabando por ficarem sem efeito as sanções aplicadas à
Companhia, e vindo, mais tarde, a ser prorrogado o prazo de
concessão pelo tempo de paragem das obras, passando a
data do fim da concessão para 30 de Outubro de 1974.
Lisboa dispunha agora, para além das águas altas e das
águas orientais, de um volume de 30.000 m³ diários de
água.
A estação elevatória foi inaugurada com três máquinas
apenas, ficando o espaço para uma quarta máquina, que
viria ser colocada em 1889.
Fig. 15 - Máquina a vapor da Estação dos Barbadinhos
Cada máquina accionava, directamente através do balanceiro, duas bombas verticais, colocadas simetricamente em
relação ao eixo do balanceiro. Para a alimentação das
máquinas foram adquiridas cinco caldeiras a vapor, com
geradores de vapor cilíndricos, correspondendo, cada um,
a uma superfície de aquecimento de 90 m².
Os construtores garantiam que o consumo de combustível
não ultrapassaria 1,200 kg de carvão por hora e por cavalo-vapor de 75 quilogrâmetros. O carvão a utilizar deveria ser
carvão inglês, de boa qualidade, com, pelo menos, 45% de
carvão graúdo3.
A quarta máquina veio a ser colocada na sequência de um
novo contrato celebrado em 29 de Outubro de 1888, dado
que a Companhia havia já procedido às obras estipuladas
no contrato de 1868, e havia que dispor de um instrumento
legal que permitisse dar expansão ao desenvolvimento das
infra-estruturas do abastecimento.
Fig. 14 - Fachada da Estação Elevatória a Vapor dos Barbadinhos
As máquinas, à semelhança do que acontecera na estação
da Praia, foram adquiridas à casa Windsor & Fils, de Ruão.
Tratavam-se de máquinas verticais, de balanceiro, de efeito
duplo, com dois cilindros, e de expansão variável, do sistema
Woolf. A primeira máquina destinava-se a elevar um volume
de água de 10.000 m³ em 24h a uma altura de 47 m, incluindo
a perda de carga, para o reservatório da Verónica, na Graça,
que abastecia a zona baixa, ou seja, aproximadamente 139
litros de água por segundo. A segunda e terceira máquinas
deveriam elevar em conjunto um volume de 12.000 m³
em 24 h, a uma altura de 77 m, incluindo a perda de carga,
para a cisterna do Monte, de onde a água ia por sifão ao
reservatório do Arco, na zona média, ou seja, aproximadamente 83 litros de água por segundo cada máquina. Cada
uma das três máquinas deveria corresponder a uma força
efectiva sobre a árvore do volante de 120 cavalos-vapor
de 75 quilogrâmetros.
20
No que se refere à elevação da água, para que ela chegasse
à zona alta tornou-se necessário construir uma estação
elevatória junto do reservatório do Arco, com dois grupos
elevatórios, sistema Worthington, um de tríplice expansão,
elevando 10.350 m³ por dia a 26 m de altura, e o outro de
simples expansão, elevando 5.000 m³. Estas máquinas eram
alimentadas com o vapor produzido por duas caldeiras
aqui-tubulares do tipo De Nayer.
Dado que a água do Alviela agora chegava ao Arco e ao
Pombal, misturando-se com as águas altas do Aqueduto
das Águas Livres, também do Pombal atingia a Penha de
França, através do sifão construído pela 1ª. Companhia.
3
No comércio, havia diversos tipos de carvão de acordo com o
tamanho. Um carvão mais miúdo teria, certamente uma combustão mais rápida, e uma menor superfície de aquecimento.
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
A expansão do abastecimento domiciliário tornou-se uma
realidade. Se antes de 1868 apenas 143 consumidores
tinham água canalizada, no final desse ano o seu número
passara a 260, em 1870 a 4.009, em 1875 a 11.032, em 1880
a 16.540, e em 1883, três anos após a inauguração do
Alviela, já tínhamos 27.167 consumidores.
O País atravessava um período de grande instabilidade
política e económica, com sucessivas quedas do Governo, e,
mesmo após a implantação da República, a instabilidade
continuou a fazer-se sentir, e, com a 1ª. Guerra Mundial
de 1914-18 e a consequente subida dos preços, não havia
condições para a Companhia avançar com este projecto.
Com o excesso de água que tinha, a Companhia decidiu
proceder à montagem de uma moderna lavandaria industrial, no Regueirão dos Anjos, iniciativa que, no entanto, não
correspondeu às expectativas, dando elevados prejuízos.
Para além disso, levantavam-se objecções técnicas ao projecto,
pois o caudal do Rio Tejo, no Verão, baixava para níveis que
punham em risco o abastecimento, e, por outro lado, a água
era fortemente mineralizada.
Em 1885, com a anexação a Lisboa dos concelhos dos
Olivais e de Belém, a cidade ficou com uma população de
311.471 habitantes, estando a Companhia obrigada, pelo
contrato, a abastecer toda a cidade agora aumentada.
Era necessário, portanto, um conjunto de obras que permitissem expandir o abastecimento, e da negociação do novo
contrato de 1888 constaram a construção do reservatório
de Campo de Ourique, com capacidade de 120.000 m³, a
construção de mais um compartimento no do Pombal,
duplicando a sua capacidade para 12.000 m³, construção
de um novo reservatório na Ajuda, com capacidade de
1.000 m³, ligação dos reservatórios da Verónica e da
Patriarcal por um sifão, colocação da quarta máquina nos
Barbadinhos, ampliação da capacidade de elevação da
estação do Arco para 7.000 m³ diários, assentamento das
canalizações necessárias para ligar os novos reservatórios.
A expansão da cidade não apenas pela anexação dos antigos
concelhos, mas também pelo seu crescimento para norte,
com a construção da Avenida da Liberdade e das Avenidas
Novas, do projecto de Ressano Garcia, trouxe novamente
situações de carência.
Num novo contrato celebrado em 18 de Julho de 1898, a
Companhia obrigava-se a construir um reservatório em
Santo Amaro. Neste contrato, o Governo, que dava à
Companhia a exclusividade do abastecimento de água,
reservava para si o direito de elevar água no Tejo, junto a
Lisboa, para lavagens e para os esgotos da cidade, ideia que
era defendida, aliás, pelo General Augusto Pinto de Miranda
Montenegro, fiscal do Governo junto da Companhia.
O reservatório de Campo de Ourique veio a ficar concluído
em 1900, vindo o da Ajuda a ser construído em S. Jerónimo,
com a capacidade prevista para o de Santo Amaro, de
4,500 m³, não se tendo vindo a construir este último.
1.9 O projecto de 1908 para captação de
água no Tejo
Em 1908, já num período em que se começam a sentir
grandes dificuldades no abastecimento, os engenheiros
João Severo da Cunha e João Augusto Veiga da Cunha
elaboram um projecto que visava a captação de água no
Tejo, no sítio da Boa Vista, a cerca de 3 km da confluência do
Alviela, água essa que seria depurada em filtros rápidos no
sítio da Nora Alta, próximo de Sacavém.
A falta de água era uma realidade que se agravava de ano
para ano, sem que houvesse lugar para a concretização
efectiva de uma obra de grande envergadura que
resolvesse definitivamente o problema. Em 1915 foi
encomendado ao Professor Choffat um estudo no sentido
de se alterar o regime do Alviela nas nascentes, estudo este
que veio a ser realizado pelo Professor Ernest Fleury, que
vivamente desaconselhou tal hipótese. Por essa mesma
altura, o Engenheiro Jesus Palácio Ramillo apresentou à
Companhia uma proposta que consistia na construção de
uma albufeira no Rio Trancão, na zona de Bucelas, para
abastecimento de água, proposta que foi rejeitada por
carência de viabilidade técnica e económica.
1.10 As municipalizações do abastecimento de água e a sobrevivência da
Companhia
Após a constituição da Companhia, surgiram diversas
empresas privadas de abastecimento de água um pouco
por todo o País, desde sociedades anónimas a sociedades
em comandita ou em nome individual, sendo algumas,
como a do Porto, de estrangeiros, caso da Compagnie
Générale des Eaux pour l'Étranger. Porém, as dificuldades
crescentes levam ao fim destas companhias, num movimento de municipalização. No Congresso Nacional Municipalista, de 1922, tinham-se, aliás, defendido teses no
sentido da organização de serviços municipalizados de
abastecimento de água, gás e electricidade, teses que vêm
a ver a sua concretização em 1927, durante a Ditadura, ano
em que, com a municipalização do abastecimento de água
do Porto, se fecha este ciclo na indústria da água4.
Restava o caso de Lisboa, onde a Câmara desferia fortes
ataques à Companhia, procurando resgatar a concessão.
Dado que, no entanto a dívida da Câmara pelo excesso de
água consumida para além da dotação gratuita era elevada,
a Companhia, pela mão do seu Director-Delegado Carlos
Pereira, conseguiu, a custo, levar de vencida a contenda.
4
A nível nacional, e no Ministério das Obras Públicas, fora criado,
em 1900, o Conselho dos Melhoramentos Sanitários. Este
Conselho, que durou até 1921, foi sempre, apenas um órgão
consultivo, sem poderes efectivos de regulação do sector.
21
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
Entretanto, e para obviar às carências que se faziam sentir,
a Companhia lançou mão de novos recursos, as nascentes
das margens da ribeira da Ota, que lhe permitiam aumentar
o caudal do Alviela em 8.000 m³ diários, valor médio, já
que a produção das nascentes, na estiagem, baixava a
níveis bastante reduzidos. Estes trabalhos realizaram-se no
decorrer do ano de 1925, bem como a construção de uma
estação elevatória equipada com dois grupos, com a capacidade elevatória unitária de 15.000 m³ diários, de bombas
centrífugas e unicelulares, movidas por motores Diesel
pesados, com uma potência efectiva de 90 CV cada.
Nesta época já as máquinas eléctricas haviam dado entrada
na distribuição, pois na estação do Arco, em 1917, duas
máquinas da fábrica suíça Sulzer, movidas por motores da
também suíça fábrica Oerlikon, com a potência efectiva de
90 CV cada, podendo elevar um volume de 11.900 m³
diários cada uma, tinham sido colocadas em substituição
das anteriores.
Em 1931 foi a vez da substituição das máquinas a vapor da
estação elevatória da Praia por uma bomba horizontal GANZ,
com uma capacidade de elevação de 4.320 m³ diários a 73 m
de altura, movida por um motor de 95 CV de potência efectiva. A produção da estação, contudo, não excedia os 2.500
m³ diários, variando com o movimento das marés, deixando
de ser aproveitada a partir de Julho de 1938 por impotabilidade da água.
Em 1932 tem lugar a construção do reservatório elevado da
Penha de França, com 600 m³ de capacidade, para abastecimento da zona alta oriental. Dada a sua cota de soleira
ser mais elevada que o reservatório do Pombal, pensava a
Companhia, através da Penha de França regularizar também
a zona alta ocidental, o que, na realidade, não veio a acontecer. Para este novo reservatório a água era elevada a
partir dos Barbadinhos, por um dos grupos da zona alta.
Em 1928 terá lugar a desactivação da estação elevatória a
vapor dos Barbadinhos, e a sua substituição por uma
estação eléctrica. Para a estação a vapor elaboraram-se
mais tarde projectos para a sua adaptação a um conjunto
de grupos elevatórios movidos por motores Diesel, que não
vieram a ser concretizados.
A nova estação albergava seis grupos elevatórios com bombas
da fábrica francesa Rateau accionadas por motores suíços
Brown Boveri. Um grupo com a capacidade de 12.000 m³
diários e outro de 9.600 m³, elevavam para a zona alta, para
o Pombal, tendo uma potência de, respectivamente, 260 e
215 CV. A altura da elevação era de 98 m. Outros dois grupos,
com a capacidade de elevação de 12.000 m³ cada, a 82 m,
e cujos motores possuíam uma potência de 215 CV cada,
elevavam a água para os reservatórios da zona média, o do
Arco e o de Campo de Ourique. Finalmente, os dois últimos
grupos, com uma capacidade elevatória de 15.000 m³ cada,
a 49 m de altura, possuíam uma potência unitária efectiva
de 160 CV, elevando para a zona baixa, para a Verónica.
Fig. 17 - Construção do reservatório da Penha de França
1.11 Duarte Pacheco e o contrato de 31
de Dezembro de 1932
O grande salto em frente, verdadeira mudança de paradigma
tecnológico, vai-se dar a partir de 31 de Dezembro de 1932,
com a imposição pelo Governo, através do Ministro das Obras
Públicas, Engenheiro Duarte Pacheco, de um novo contrato
de concessão à Companhia, na sequência do qual, pelo
Decreto nº. 22181, de 3 de Fevereiro de 1933, foi criada a
Comissão de Fiscalização das Obras de Abastecimento de
Água à Cidade de Lisboa, comissão pertencente ao Ministério das Obras Públicas, que fazia a fiscalização técnica e
administrativa da CAL. Em Novembro de 1943 a Comissão
passou a designar-se por Comissão de Fiscalização das
Águas de Lisboa.
Fig. 16 - Estação Elevatória dos Barbadinhos - Sala das Máquinas
22
Com o novo contrato de concessão, Duarte Pacheco vai criar
condições de sobrevivência à Companhia, resolvendo o
diferendo com a Câmara através de mecanismos financeiros
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
para a liquidação das dívidas desta pelo excesso de consumo,
afastando de vez o fantasma da municipalização. Para além
disso vai dar condições à Companhia para construir um
novo grande sistema tecnológico, o do Canal Tejo.
O programa de obras constantes do contrato estava dividido
em quatro fases, correspondentes a quatro momentos de
ampliação do abastecimento, agora não só de Lisboa, mas
também das zonas atravessadas pelos canais e das zonas
suburbanas.
Na 1ª. fase, seriam feitas as obras necessárias para a elevação
das águas do Tejo na Boa Vista e a sua introdução, após
depuração mecânica, no Alviela, próximo de Alcanhões,
utilizando-se toda a capacidade de vazão do canal. Estas
obras deveriam estar concluídas em Junho de 1933.
A 2ª. fase compreendia as obras necessárias para aumentar
a produção em mais 80.000 m³ de água diários. As águas
do Tejo seriam beneficiadas com as águas do Zêzere,
armazenadas acima da confluência do Nabão, e, para o
efeito, seria construído um dique, com uma albufeira com a
capacidade de 30 milhões de m³, que poderia ser também
utilizado para a produção de energia eléctrica. Esta fase
deveria ficar concluída até ao fim de 1936.
Na 3ª. fase, a executar quando o consumo particular
atingisse 16 milhões de m³, seriam trazidos do Zêzere, em
canal próprio, e introduzidos no Canal Tejo, mais 55.000 m³,
diários.
A 4ª. e última fase consistia na ampliação da capacidade de
produção em mais 50.000 m³ diários de água captada no
Zêzere e introduzida no Canal Tejo, a executar quando o
consumo particular atingisse 24 milhões de m³.
Em 1933 o caudal do Canal Alviela foi reforçado com as
águas de Alenquer, construindo-se, para o efeito, uma
estação elevatória que veio a ser equipada com dois grupos
electro-bombas com a capacidade de elevação de 11.230 m³
cada, a uma altura de 28 m, e uma potência de 70 CV. A
captação das águas de Alenquer provocou o abaixamento
do nível das águas nos poços, tendo dado lugar a um
grande número de reclamações dos proprietários locais,
havendo que criar formas de indemnização pelos prejuízos
causados. A captação de Alenquer veio mais tarde a ser
ampliada, com a abertura de mais três poços em 1949
embora apenas dois em regime normal de exploração, e
com uma nova estação elevatória, em funcionamento a
partir de 1960.
Ainda em 1933 surgiu uma proposta da International
Water Company para a captação de 20 a 25.000 m³ nas
camadas do Belaziano, em Lisboa, por meio de cinco furos
de 350 m de profundidade. A mesma companhia propunha-se igualmente captar água nos vales de Belas e Queluz,
contudo as suas propostas, além de onerosas, não ofereciam
garantias efectivas quanto aos caudais indicados.
A construção do Canal Tejo começou por um primeiro troço
entre Sacavém e o Carregado. Em Sacavém, aliás, já no
projecto de 1908 estava prevista a filtragem das águas, no
sítio da Nora Alta. A obra foi entregue ao empreiteiro
Waldemar Jara d'Orey, devendo-se os projectos aos
Engenheiros João Severo da Cunha, autor do projecto de
1908, e Luís Veiga da Cunha.
Uma questão que houve que resolver de imediato foi a do
aumento da capacidade de vazão do Canal Alviela. Embora
na parte livre o canal tivesse uma capacidade de vazão da
ordem dos 70.000 m³ diários, o facto de, nas passagens
dos vales, possuir uma única linha de sifões, a capacidade
efectiva de transporte era da ordem dos 30.000 m³. Havia,
portanto, que construir uma segunda linha de sifões, obra
que foi executada logo em 1933. Por essa altura já o velho
sifão de ferro sobre o Rio Trancão, em Sacavém, havia sido
substituído por um sifão passando por debaixo do leito do rio.
Fig. 19 - Construção de uma conduta forçada no Canal Tejo
Fig. 18 - Antigo sifão do Alviela sobre o Rio Trancão, em Sacavém.
A ideia inicial de captar água na Boa Vista acabou por ser
adiada, pois a firma Layne & Co. apresentou uma proposta
interessante ao Governo, que vai ser recebida com entusiasmo pelo Engenheiro Duarte Pacheco. Era possível captar
apreciáveis caudais de água nas aluviões do Tejo, na região
do Carregado, Espadanal, Quinta do Campo e na Lezíria.
Depois de uma missão técnica dos engenheiros da Companhia
a vários países estrangeiros, a opção pela captação em
poços de grandes profundidades torna-se uma realidade.
23
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
A adjudicação da construção dos poços acabou por ser feita
à firma alemã Johann Keller, que apresentava condições
mais vantajosas. Além desta firma, temos a adjudicação à
firma americana R. W. Herbard da construção experimental
de um poço na Quinta do Campo, próximo de Vila Nova
da Rainha.
Os equipamentos das diversas estações elevatórias dos
poços apresentam características diferentes dos das outras
estações, sendo os grupos elevatórios de eixo vertical,
ligados aos tubos de aspiração das águas, tubos estes com
dispositivos de filtragem nas suas paredes internas.
Um estudo de 1939 havia determinado já a capacidade
elevatória exigida à estação, da ordem dos 250.000 m³
diários. Iniciando-se em barracões provisórios, a inauguração das suas instalações definitivas veio a ter lugar em
31 de Maio de 1948, e, dadas as suas dimensões, a própria
colocação dos grupos elevatórios, em número de doze,
foi objecto de um processo contínuo, com sucessivas
actualizações, que continua ainda no presente.
Fig. 22 - Quadro eléctrico de comando e controlo da Estação
Elevatória dos Olivais
Fig. 20 - Captação de água - Grupo moto-bomba dum poço
Entretanto em Lisboa, na Quinta da Ché, Olivais, havia sido
construída a estação elevatória, junto ao reservatório de
chegada das águas do Canal Tejo.
Projecto do Arquitecto Carlos Rebelo de Andrade, nela vemos
a intervenção de Jorge Barradas, escultor que também,
como Rebelo de Andrade, tem o seu nome ligado à Fonte
Monumental, da Alameda de D. Afonso Henriques, monumento que, iniciativa da Comissão de Fiscalização das
Águas de Lisboa, celebra a chegada das águas do Tejo à
cidade.
1.12 Os problemas da qualidade das águas
Em breve houve que proceder ao tratamento das águas, pois,
ao contrário do que inicialmente se observara, estas águas
deixavam sedimentos de ferro e manganés nas condutas.
Por outro lado, tornava-se necessário proceder à desinfecção das águas, dados os conhecimentos entretanto
adquiridos sobre as suas características, e a necessidade de
assegurar a sua potabilidade, face a uma série de epidemias
de febres tifóides.
Os primeiros ensaios sistemáticos de cloragem das águas,
por ocasião de febres, tiveram lugar na cidade americana
de Maidstone, em 1897. A partir daí o processo de desinfecção das águas foi-se expandindo, sendo em França
utilizada uma solução de cloro, a água de Javel.
O higienista português, Professor Ricardo Jorge, chegou
mesmo a defender em meios internacionais, em 1913, a
cloragem das águas não apenas em caso de epidemias, mas
de uma forma sistemática e preventiva.
Fig. 21 - Estação Elevatória dos Olivais, fachada principal
24
A utilização do cloro levantou graves problemas, pois da
reacção do cloro com o alcatrão que revestia o interior dos
tubos resultava a formação de clorofenóis que davam à
água um sabor a fénico. Estes problemas vieram a ser ultrapassados com o aperfeiçoamento de um aparelho doseador
do cloro na água, aparelho que havia sido concebido por
Bunau-Varilla e modificado pelo técnico Bernardino Gomes
de Pinho, dos quadros da CAL.
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
Fig. 23 - Laboratório Bacteriológico da Companhia das Águas de Lisboa
Na década de 40 tornou-se necessário projectar duas
estações de tratamento para as águas do Aqueduto das
Águas Livres, uma na Amadora e outra na Buraca, pois este
continuava a ser parte dos sistemas de abastecimento de
Lisboa, muito embora tivesse uma produção reduzida.
Algumas das suas nascentes já estavam inquinadas no
século XIX, como constatam o químico Hugo Mastbaum e
o geólogo Paul Choffat. Com o tratamento, a água das
nascentes já não precisava de ser deitada fora através dos
descarregadores, e, em períodos de carência, o passeio
central do Aqueduto chegou a ser utilizado também como
caleira.
1.13 As duas opções em confronto - Tejo
ou Zêzere
Como já atrás ficou dito, a primeira opção do contrato de
1932 era pelas águas do Tejo, captadas na Boa Vista. Porém,
dos projectos de obras fazia parte uma clara opção pelas
águas do Zêzere, menos mineralizadas, e que corrigiriam a
excessiva mineralização das águas do Tejo.
Como também foi referido, a captação das águas das
aluviões do Tejo veio a alterar profundamente os projectos
de desenvolvimento do abastecimento de água.
Fig. 24 - Construção da torre de captação de água na Barragem de
Castelo de Bode
A captação de água no Tejo, no dique de Valada, onde as
águas do mar já não fazem sentir os seus efeitos, começou
por meio de uma estação piloto, construída em 1958, e que
funcionou durante um ano. Em 1959 arrancou o projecto
para a estação definitiva, que veio a ser inaugurada em 8 de
Junho de 1965 com três grupos elevatórios, com uma
capacidade diária de 100.000 m³.
A água é elevada para uma estação de tratamento, em Vale
da Pedra, construída pela firma Degrémont, onde a água é
decantada, filtrada e sujeita ao processo da floculação por
meio de reagentes, e finalmente desinfectada por meio
de cloro, com correcção posterior em postos de cloragem
dispersos pela rede de distribuição.
A estação de tratamento de Vale da Pedra, com uma capacidade de produção de 240.000 m³ diários, já em 1963 estava
em funcionamento, fornecendo água de boa qualidade a
Lisboa. Na sequência de todo este progresso tecnológico, e
porque os custos de tratamento fossem bastante elevados
face à pouca quantidade de água, a CAL decidiu, em 1967,
desafectar por completo do abastecimento o Aqueduto das
Águas Livres.
A determinada altura tornava-se necessária uma solução
para o problema da falta de água, uma vez que o abastecimento e a melhoria substancial das condições de salubridade arrastara um aumento significativo da população a
abastecer, aspecto ainda mais agravado com a expansão do
abastecimento para os concelhos limítrofes.
A opção clara da Companhia foi pelo Tejo, águas cujo aproveitamento foi por diversas vezes defendido pelo Engenheiro
Veiga da Cunha. No entanto, na barragem do Castelo do
Bode, lá estava a torre de captação de água, iniciativa do
Engenheiro José Frederico Ulrich, construída durante as
obras de construção da barragem, em 1949. Caso isso não
tivesse sido feito, mais tarde, com a barragem cheia, tal
obra seria de muito mais difícil, ou até mesmo impossível,
execução.
Fig. 25 - ETA de Vale da Pedra
25
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
1.14 Expansão do abastecimento
Com o sistema Tejo completo, com esta 2ª. fase, correspondente à captação de Valada-Tejo, agora com a componente
"tratamento de água" a contribuir para a função "abastecimento de água", com pleno desenvolvimento das técnicas
possibilitadas pelo conhecimento da Física, da Química, da
Geologia, a CAL vai poder abastecer uma área muito mais
vasta, sucedendo-se os contratos com as Câmaras limítrofes,
que a Companhia abastece em alta, vendendo depois estas
a água aos consumidores particulares através dos seus
Serviços Municipalizados.
O progresso verificado acelerou a consequente expansão
urbana e industrial em toda a região de Lisboa, pois a água
não é elemento vital apenas para o consumo humano, mas
também motor de desenvolvimento económico e industrial.
Também em Lisboa o crescimento urbano se fez sentir, e a
cidade tem agora quatro andares, em vez dos três em que,
inicialmente, Mary, no século XIX, a dividira. São eles delimitados pelas curvas de nível de 0 m - 40 m, 40 m - 62 m,
62 m - 95 m, e 95 m - 120 m, correspondentes, respectivamente, às zonas baixa, média, alta e superior. Acima dos
120 m, mais tarde, será criada a zona limite. Com esta
divisão garantia-se uma altura piezométrica mínima de 30 m.
1.15 A EPAL e o Castelo do Bode
Como já atrás foi referido, a concessão da CAL terminou em
30 de Outubro de 1974, dando esta companhia lugar a uma
empresa pública, a EPAL, que, a braços com nova crise de
falta de água, vai ter que se virar, definitivamente, para o
Zêzere.
Em 1959 a CAL, no projecto que elaborara para a construção
da captação de água do Tejo em Valada, afirmava:
"Lá está no Zêzere a torre de tomada de água, que o ministro
José Frederico Ulrich mandou fazer, pois, mais tarde, a
captação na albufeira não seria viável por impossibilidade
de construção das fundações da torre. (Quem sabe agora
qual o aproveitamento que a torre pode vir a ter um dia?).
Mas ir ao Zêzere são mais 50 quilómetros e não se julgue
que a água da albufeira não necessitaria tratamento, pois
os exemplos bem conhecidos estão por toda a parte e o
assunto foi já largamente debatido para não se discutir a
necessidade da sua filtração".
Não foram, com a opção Tejo, abandonadas as águas do
Zêzere, muito embora, ainda em 1970, a CAL encarasse
outras hipóteses no curto prazo, como a execução de mais
poços nos mouchões do Tejo. O Zêzere, conforme os estudos
mencionados referem, poderia, na albufeira do Castelo do
Bode, dar meio milhão de m³ diários.
26
Fig. 26 - Barragem do Castelo de Bode
O parecer do Conselho Superior de Obras Públicas exarado
no projecto da captação Tejo de Valada apontava mesmo
para o Castelo do Bode, inviável no curto prazo, e para a
captação nas albufeiras do Cabril e da Ponte da Bouçã, e a
serem conduzidas a Lisboa em adutor próprio, projecto a
ser "objecto de um estudo profundo, feito em tempo útil,
para permitir o início da sua realização por volta de 1970 e
a sua entrada em serviço quando ficar saturada a capacidade de transporte do Canal do Tejo, já então elevada para
400.000 m³ por dia, o que se deve verificar em 1974, ano em
que termina a concessão da Companhia das Águas de Lisboa".
Os estudos relativos ao aproveitamento das águas do Zêzere
não haviam, pois, sido abandonados, sendo-lhe dado especial
relevo no Plano Geral de Abastecimento de Água à Região de
Lisboa, publicado em Junho de 1962, à semelhança do que
sucedera no Estudo Prévio para Ampliação do Abastecimento
de Água à Cidade de Lisboa, de Janeiro de 1950.
Objecto de estudos posteriores, o projecto veio a ser concretizado apenas a partir de 1975. Para tal projecto havia-se
procedido em 1972 à actualização do Plano Geral publicado
dez anos antes.
Em 1986 foi o subsistema inaugurado com uma capacidade
de produção de 375.000 m³ diários, sendo composto pela torre
de captação, agora completa, uma central elevatória situada a
jusante da barragem, uma estação de tratamento na
Asseiceira, e um adutor que conduz a água a uma central
elevatória construída em Vila Franca de Xira, de onde a
água é elevada para Telheiras, em Lisboa.
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
Fig. 26 - Barragem do Castelo de Bode
Fig. 27 - ETA da Asseiceira
A partir de 1993 procedeu-se à ampliação do subsistema
para uma capacidade de tratamento e adução de 500.000 m³
diários através de um conjunto de obras que ficaram
concluídas em 1996, o que possibilita hoje o abastecimento,
pela EPAL, de água a um total de 26 municípios correspondentes a cerca de um quarto da população do País.
A EPAL é hoje uma sociedade anónima, de capitais exclusivamente públicos, e encontra-se integrada num grupo mais
vasto, a Águas de Portugal, AdP, que, com um conjunto
de empresas multi-municipais, abastece de água a quase
totalidade do País, e onde se encontra espelhado todo um
conhecimento científico e tecnológico que é parte importante da nossa identidade, da nossa memória colectiva, e
cujos testemunhos urge a todo o custo preservar como
património histórico.
27
Evolução Histórica dos Sistemas de Abastecimento de Água a Lisboa
1.16 Referências bibliográficas
Arquivo Histórico da EPAL
CAL. Boletim dos Serviços Sanitários - Tratamento de água.
CAL. Boletim dos Serviços Técnicos.
CAL. Contratos de concessão [diversos anos].
CAL. Estudo para o abastecimento de Lisboa com água do
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de França e respectiva conduta de elevação. Março de 1929.
CAL. Projecto de toma de água do Tejo na Boavista. Julho de
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arredores, por despacho de S. Ex.ª. o Ministro das Obras
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28
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de Lisboa. In Boletim dos Serviços Técnicos, ano XXII, 1956,
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VITAL, Raul Fontes. Lisboa e as águas (Da Lisboa Ribeirinha
às águas altas e ao Tejo e seus afluentes - a dinâmica do
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expansão). II Colóquio Temático "Lisboa Ribeirinha", Actas
das Sessões, Câmara Municipal de Lisboa, 1997.
VITAL, Raul Fontes. O Aqueduto das Águas Livres. Da
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Portuguesa de História Económica e Social, Lisboa, 1998
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VITAL, Raul Fontes. O desenvolvimento económico e as
empresas de abastecimento de água em Portugal. Comunicação apresentada ao XVII Encontro da Associação
Portuguesa de História Económica e Social. Ponta Delgada,
Universidade dos Açores, 27 - 29 de Novembro de 1997
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VITAL, Raul Fontes. O Museu da Água da EPAL. Uma experiência na defesa do património. In Arqueologia & Indústria,
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VITAL, Raul Fontes. Os novos núcleos do Museu da Água - a
preservação do património museológico e dos arquivos,
In 1º. Encontro Internacional sobre Património Industrial
e sua Museologia. Comunicações. Museu da Água da EPAL,
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29
30
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
2. CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE HIDRÁULICA,
BOMBAS CENTRÍFUGAS E REDES HIDRÁULICAS
Autor: Paulo Ramísio
Engenheiro Civil (FEUP)
Mestre em Engenharia do Ambiente (FEUP)
Assistente do Departamento de Engenharia Civil
da Universidade do Minho
Sócio da SBS – Engenharia Civil, Hidráulica e
Ambiente, Lda.
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32
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
Universidade do Minho
A Universidade do Minho é uma universidade pública com autonomia administrativa e financeira. Comemora actualmente o
XXXI aniversário.
O Departamento de Engenharia Civil (DEC) da Escola de Engenharia tem a seu cargo o Curso de Licenciatura de Engenharia
Civil, o Mestrado em Engenharia Municipal, o Mestrado em Engenharia Civil e disciplinas do Mestrado em Tecnologia do
Ambiente. Desenvolve, ainda, actividade de investigação nos domínios de Construções e Processos, Estruturas, Geotecnia,
Hidráulica, Materiais de Construção, Planeamento e Arquitectura e Vias de Comunicação.
O Sub-grupo de Hidráulica tem como missão formar cientistas e engenheiros através de um estimulante e diversificado
programa na área da mecânica dos fluidos; hidrologia, engenharia sanitária e gestão dos recursos hídricos e contribuir para o
aumento do conhecimento científico nas seguintes áreas preferenciais: Processos de transporte e mistura em ambientes
naturais e sistemas de engenharia; Sistemas de apoio à decisão para o desenvolvimento sustentado da gestão dos recursos
hídricos e desenvolver técnicas de modelação em laboratoriais e modelos computacionais.
A investigação é orientada de modo a não só contribuir para o aumento dos conhecimentos numa determinada área científica
mas também contribuir para a extrapolação dos resultados obtidos em estudos e obras no domínio da engenharia civil.
SBS - Engenharia Civil, Hidráulica e Ambiente, Lda.
A SBS é uma empresa de consultoria em engenharia, fundada a 28 de Fevereiro de 1996.
Tem desenvolvido a sua actividade na execução de estudos, consultoria, projectos, acompanhamento técnico e apoio à decisão
em obras de engenharia com especial destaque para as obras de hidráulica e ambiente.
Conta como principais áreas de actuação:
• Abastecimento de Água (Captações, Estações de Tratamento de Água, Sistemas de Adução, Sistemas Elevatórios,
Reservatórios e Redes de Distribuição);
• Águas Pluviais, Residuais e Industriais (Redes de Drenagem, Interceptores e Emissários, Sistemas Elevatórios, Estações de
Tratamento de Águas Residuais);
• Estudos Ambientais (Estudos de Impacte Ambiental, Auditorias Ambientais, Acompanhamento de Obras);
• Infra-estruturas Hidráulicas e Energia (Aproveitamentos Hídricos e Hidroeléctricos, Regularização Fluvial);
• Infra-estruturas Prediais (Projecto e coordenação de todas as especialidades de engenharia, acompanhamento de obra e
Fiscalização).
33
34
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
2.1 Introdução
Logo, em termos de tensão unitária:
O dimensionamento de um sistema de pressurização
depende de uma grande parte do conhecimento dos fenómenos hidráulicos envolvidos. Neste capítulo serão analisados alguns princípios fundamentais da mecânica dos
fluidos e a sua utilização na caracterização da curva característica da instalação e da curva característica de uma
bomba centrífuga, conceitos essenciais para um bom
desempenho de um sistema de pressurização.
2.2 Princípios da mecânica dos fluidos
2.2.1 Propriedades da água
2.2.1.1 Massa volúmica e peso volúmico
Massa volúmica e peso volúmico de uma substância são,
respectivamente, a massa e o peso da unidade de volume
dessa substância. Para os líquidos estas grandezas variam
com a pressão e a temperatura.
τ=
∆F
∆v
=µ
S
∆n
(2)
onde µ é o coeficiente de viscosidade dinâmica.
A viscosidade dinâmica (µ) para um determinado fluido é
determinada recorrendo a tabelas ou a gráficos enquanto
que a viscosidade cinemática (ν) é expressa da seguinte
maneira:
(3)
ν = µ /ρ
onde ρ é a massa volúmica do fluido. A viscosidade cinemática nos líquidos varia apreciavelmente com a temperatura, sendo desprezável a influência da pressão.
Sendo a viscosidade uma propriedade física que determina
a resistência ao escoamento uniforme de um fluido, ela
afecta a distribuição do esforço de corte destes.
A água tem o valor máximo de massa volúmica à temperatura de 4°C, que à pressão atmosférica normal toma o
valor de 1000 kg/m3. Considerando a aceleração da gravidade igual a 9,8 ms-2, o peso volúmico, à mesma temperatura será 9800 Nm3.
Analisando o comportamento dos fluidos em função do
esforço e a velocidade de corte, podemos classificá-los da
seguinte maneira:
2.2.2 Viscosidade
• Fluido Newtoniano - o esforço de corte é proporcional à
velocidade de corte, sendo τ o declive da recta;
A viscosidade dos fluidos traduz-se pela resistência que
estes oferecem à deformação. Assim, no seu escoamento
desenvolvem-se forças resistentes, que dão parte à dissipação de parte da energia mecânica possuída pelo fluido
em movimento.
Ao pretender modificar-se a forma de uma massa de fluido,
observa-se que as camadas do mesmo se deslocam umas
em relação às outras, até que se alcance uma nova forma.
Durante este processo ocorrem tensões tangenciais
(esforços de corte) que dependem da viscosidade e da
velocidade do fluido.
O comportamento de um fluido sob a acção de um esforço
de corte é importante na medida em que determinará a
forma como ele se movimentará. A fim de que se possa
introduzir a noção de esforço de corte (tensão tangencial),
torna-se necessário analisar as forças exteriores que actuam
numa determinada massa de fluido sujeita à acção da aceleração da gravidade.
• Fluido Ideal - apresenta resistência nula à deformação;
• Fluido não Newtoniano - deforma-se de tal maneira que
o esforço de corte não é proporcional à velocidade de
corte;
• Plástico Ideal - o fluido sustém, inicialmente, um esforço
sem qualquer deformação, deformando-se posteriormente de forma proporcional ao esforço de corte;
• Sólido Ideal - não ocorre deformação para qualquer valor
de tensão.
Os Fluidos Newtonianos são praticamente todos os líquidos
orgânicos e inorgânicos enquanto que os Fluidos não
Newtonianos podem ser classificados em pseudoplásticos,
dilatantes, Bingham, etc.. Como exemplos de Fluidos não
Newtonianos podem-se destacar a pasta de celulose,
algumas tintas, borracha, etc…
2.2.3 Compressibilidade
Num fluido em repouso não existem tensões tangenciais e
de acordo com a lei de Pascal a pressão num ponto é igual
em todas as direcções. Nos fluidos em movimento, em que
se manifeste a acção da viscosidade desenvolvem-se tensões tangenciais ou esforços de corte.
A compressibilidade dos fluidos traduz-se pela diminuição
do volume ocupado por uma determinada massa de líquido
quando aumenta a pressão a que esta está sujeita.
A viscosidade é assim uma propriedade física que é definida
como sendo a resistência de um fluido ao seu escoamento
uniforme.
De acordo com o seu comportamento sob a acção de uma
pressão aplicada exteriormente os fluidos podem ser classificados da seguinte forma:
Considere-se duas placas paralelas de fluido, S, que se
movem a uma distância, ∆n, a uma velocidade relativa ∆v,
a força necessária para o deslocamento será:
∆F = µ S
∆v
∆n
(1)
• Incompressíveis - Se o volume de um elemento de fluido
é independente da sua pressão e temperatura. Nos
líquidos, devido às pequenas variações de pressão,
podem-se considerar incompressíveis para a maior parte
dos fenómenos.
35
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
• Compressíveis - Se o volume de um elemento de fluido
varia com a sua pressão e temperatura, como acontece
nos gases.
2.3.2 Classificação dos escoamentos
Note-se contudo que nenhum dos fluidos reais é completamente incompressível. No entanto, os líquidos podem ser
encarados como tal para efeitos de estudo de grande parte
das aplicações práticas. É no entanto importante realçar
que em alguns fenómenos, como por exemplo na análise
do choque hidráulico, deve ser considerada a compressibilidade do fluido.
O escoamento é variável se, numa dada secção transversal,
a velocidade média e o caudal variarem com o tempo.
2.2.4 Tensão de saturação do vapor de água
Quando a pressão num ponto de um líquido desce até à
respectiva tensão de saturação de vapor, o líquido entra em
ebulição.
A tensão de saturação do vapor de um líquido, tv, varia em
função da temperatura.
A tensão de saturação de vapor para a água à temperatura
de 20°C é de 2330 N/m2, e à temperatura de 100°C iguala a
pressão atmosférica normal.
No escoamento de líquidos aparecem, em certas condições,
zonas em que a pressão desce até à tensão de saturação de
vapor, formando bolhas de ar, indicadoras da ocorrência do
fenómeno de cavitação.
2.3 Conceitos fundamentais de
hidrocinemática e hidrodinâmica
2.3.1 Conceitos básicos
Define-se trajectória de uma partícula como o lugar
geométrico dos pontos ocupados pela partícula ao longo do
tempo, enquanto que linha de corrente num determinado
instante será a linha que goza da propriedade de, em
qualquer dos seus pontos, a tangente respectiva coincidir
com o vector velocidade no mesmo ponto e nesse instante.
O caudal, será o volume que, na unidade de tempo, atravessa
uma secção efectuada num escoamento por uma superfície,
se esta for normal em todos os seus pontos à velocidade do
escoamento. Assim, o caudal, Q, será:
Q = ∫ v ds
(4)
Velocidade média, V, (numa secção normal em todos os
pontos à velocidade do escoamento) velocidade de um
escoamento que, com velocidade uniforme na secção,
transporta um caudal igual através da mesma secção.
36
2.3.2.1 Variados, permanentes e uniformes
O escoamento é permanente se, em qualquer secção transversal, a área da secção líquida e a velocidade média (e, portanto o caudal) forem invariáveis com o tempo. Num escoamento permanente a velocidade pode variar de ponto para
ponto, mas, em cada ponto, mantém-se constante ao longo
do tempo.
Um escoamento uniforme é um movimento permanente
em que a velocidade é constante ao longo de uma mesma
trajectória (em módulo, direcção e sentido). Pode então
dizer-se que o escoamento é uniforme se as trajectórias
forem rectilíneas e paralelas e se a área da secção líquida, S,
a velocidade média, V, forem invariáveis com o tempo e a
secção transversal considerada. O movimento uniforme só
é possível em condutas e canais de eixo rectilíneo e de
secção constante.
Escoamentos transitórios são escoamentos que se estabelecem na transição entre duas situações de escoamentos
permanentes.
2.3.3 Equação da continuidade
A equação da continuidade estabelece o princípio da conservação da massa. Assim entre duas secções transversais,
num escoamento permanente de um fluido incompressível
sob pressão, mantém-se constante ao longo do tempo o
volume do líquido entre as duas secções.
Considerando uma tubagem com vários troços de diâmetros diferentes, verifica-se que o caudal de fluido é sempre
constante em toda a tubagem.
Define-se então caudal mássico (Qm) como a massa de fluido
transportada (m) por unidade de tempo (t) e será igual a:
→
→
→
Q × v1 = Q × v2 = Q × v3
; v1 xAi1 = v2 × Ai 2 = v3 × Ai 3 = v ×(5)
A expressão (5) é designada por equação da continuidade.
O termo continuidade deriva do facto de o caudal em todos
os troços ser constante.
Em termos de caudal mássico (Qm = cont.),
Qm1 = Qm2 = Qm3 = Qm ⇔ ρ.v1.Ai1 = ρ.v2.Ai2 = ρ.v3.Ai3 = ρ.v.Ai (6)
D2
D3
D1
L1
Fig. 1 - Condutas em série
L2
L3
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
Nestas circunstâncias, facilmente se depreende que o caudal
escoado é o mesmo em cada troço de conduta com características distintas, e que a perda de carga total é dada pela
adição de todas as perdas de carga parcelares:
Q = U1 x S1 = U2 x S2 = ... = Un x Sn
n
n
i =1
i =1
∆H = ∑ ∆H i = ∑ J i × Li
(7)
(8)
Considerando um regime estacionário (as variáveis do
processo, como por exemplo, pressão, temperatura, volume,
etc. permanecem constantes ao longo do tempo), num fluido
Newtoniano e incompressível, a energia específica total
duma partícula é igual à energia mecânica total da partícula
por unidade de peso e apresenta três componentes:
(Trinómio de Bernoulli)
Na prática, pode-se considerar:
* β1 = β2 = 1,0 → Coeficiente de distribuição de pressão
(campo de pressões do tipo hidrostático condutas de
pequeno e médio diâmetro).
2.3.4 Teorema de Bernoulli
p v2
E = z+ +
γ 2g
O teorema de Bernoulli representa uma equação de balanço
de energia pois iguala a variação da energia mecânica total
entre duas secções de um tubo de corrente ao trabalho
realizado pelas forças locais de inércia (nulas em regime
permanente) e de resistência ∆H.
(9)
Dimensionalmente cada parcela corresponde a um comprimento pelo que é assimilável a uma soma de "alturas":
* α1 = α2 = 1,0 → Coeficiente de energia cinética ou de
Coriollis, distribuição de velocidades - consideração de
velocidades médias (1,00 ≤ α ≤ 1,15).
A parcela ∆B corresponde a troca de energia com o exterior:
+∆B ⇒ cedência de energia (turbina)
-∆B ⇒ ganho de energia (bomba).
A parcela ∆H representa o trabalho das forças resistentes
por unidade sendo a soma das seguintes parcelas:
∆H = ∆H p + ∑ ∆H L
[E ]= [F ]× [L] = [L]
[F ]
(11)
com,
O significado físico de cada parcela será o seguinte:
∆H → Forças resistentes totais por unidade de peso (perdas
de carga totais)
z
∆Hp → Perda de carga uniforme (contínua ou principal)
= cota da partícula em relação a um plano de referência
(energia potencial de posição da partícula por unidade
de peso)
∑ ∆H
L
→ Somatório de perdas de carga localizadas (concentradas acidentais)
p
= altura piezométrica: energia potencial de pressão por
γ
unidade de peso da partícula;
v2
= altura cinética: energia cinética por unidade de peso
2 g da partícula com velocidade v.
Estes parâmetros serão analisados em detalhe em pontos
seguintes.
Assim, define-se Linha Piezométrica como o lugar geomé-
2.3.5 Teorema da quantidade de movimento
ou de Euler
trico dos pontos em que a sua cota é a soma da cota topográfica e da altura ( z +
p
). Analogamente, a Linha de Carga
γ
(ou Energia) será o lugar geométrico dos pontos cuja cota
será a soma da cota topográfica, a altura piezométrica e a
altura cinética ( z +
p v2
+
).
γ 2g
O teorema de Bernoulli refere que no caso de um fluido
incompressível em regime permanente, em que se possam
desprezar as forças de atrito e, consequentemente as perdas
de energia, mantêm a carga total de uma partícula ao
longo de uma trajectória.
O Teorema de Bernouli aplicado a fluidos pesados e incompreensíveis, em regime permanente, toma a seguinte
forma:
( z1 + β 1
2
1
2
2
p1
U
p
U
+ α 1 ) s1 − ( z 2 + β 2 2 + α 2
) = ∆H ± ∆B
2g
2 g s2
γ
γ
(10)
O teorema de Euler ou da quantidade de movimento (TQM)
é na Mecânica dos Fluidos e, portanto, na Hidráulica o correspondente ao teorema da quantidade de movimento da
Mecânica e pode enunciar-se da seguinte maneira:
Para um volume determinado no interior de um fluido,
é nulo em cada instante o sistema das seguintes forças:
peso, resultante das forças de contacto que o meio
exterior exerce sobre o fluido contido no volume,
através da superfície de fronteira, resultante das forças
de inércia e resultante das quantidades de movimento
entradas para o volume considerado e dele saídas na
unidade de tempo.
O TQM ou de Euler tem um duplo interesse prático:
1º) Calcular esforços sobre as tubagens e/ou paredes (caso
dos jactos).
37
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
2º) Calcular perdas de carga localizadas em troços curtos
(curvas, derivações, mudanças de secção) onde se conhecem as condições nas secções de entrada e de saída.
Particularizando a aplicação do Teorema de Euler a movimentos permanentes de fluidos pesados e incompressíveis
em tubos de corrente e as tensões tangenciais são desprezáveis, a acção do líquido sobre a superfície de contorno
será uma força, dada pela seguinte expressão vectorial:
r
R = - ( ρ × Q × U + p × S ) nr - ( ρ × Q × U + p × S ) nr + γr (12)
1
1
1
1
2
2
21
2
em que:
r
r
n1 e n2- são os versores da direcção normal às secções de
entrada e saída (S1 e S2), com o sentido positivo
dirigido sempre para o exterior do volume em
estudo.
r
γ - peso do volume de fluido em estudo.
U 1 , U 2, p1 , p2 - Velocidades médias e pressões nas secções 1 e 2.
2.4 Escoamentos sob pressão em
regime uniforme e permanente
2.4.1 Escoamentos laminares e escoamentos
turbulentos
Existem dois regimes de escoamento de fluidos: laminar e
turbulento.
No regime uniforme, as trajectórias das partículas são paralelas às geratrizes do contorno.
Se considerarmos condutas de comprimento L elevado (L
>100 x D, em que D é o diâmetro da conduta) e características geométricas (direcção, rugosidade, forma e dimensão
da secção transversal) constantes, poder-se-á considerar
que :
i ) a distribuição de pressões numa secção transversal é do
tipo hidrostático (β=1).
ii ) o coeficiente de Coriollis é constante ao longo da conduta
(α=1) .
iii ) a perda de carga (∆H) entre duas secções é proporcional
à distância (L) entre elas, sendo constante o coeficiente
de perda de carga (ou perda de carga unitária) ao longo
da conduta, J.
Sabendo que a perda de carga contínua (ou principal)
depende ainda das características físicas do fluido, teremos:
J = ƒ(ρ, U, D, ν, το,Ke)
(14)
em que:
J - perda de carga contínua por unidade de comprimento;
ρ - massa volúmica do fluido;
U - velocidade média na conduta;
D - diâmetro da conduta;
O regime laminar é caracterizado por trajectórias regulares
das partículas, não se cruzando trajectórias de partículas
vizinhas.
το - tensão junto à parede da conduta;
No escoamento turbulento, a velocidade num dado ponto
varia constantemente em grandeza e direcção, sem regularidade. As trajectórias são extremamente irregulares.
Ke - rugosidade equivalente da conduta, em termos da perda
de carga provocada pelas várias rugosidades do material
da conduta.
A relação entre as forças de inércia e a força de viscosidade
sobre a partícula pode ser expressa pelo número de
Reynolds através da seguinte expressão:
Recorrendo à Análise Dimensional é possível estabelecer
uma relação entre aquelas grandezas, chegando-se (escolhendo ρ,U,D para unidades fundamentais) à expressão
geral das perdas de carga contínuas (ou fórmula universal)
em condutas circulares:
V ×D
(13)
ν
O número de Reynolds define as condições de semelhança
quando a natureza das forças intervenientes se limitam às
indicadas (caso de escoamento de líquidos no interior de
condutas em pressão).
Re =
Para valores de Reynolds superiores a 2500 o escoamento é
geralmente turbulento e para valores inferiores a 2000 o
escoamento é normalmente laminar.
A quase totalidade das aplicações de sistemas de pressurização encontra-se em regime turbulento.
38
2.4.2 Perdas de carga contínuas
ν - coeficiente de viscosidade cinemático do fluido;
J=
λ U2
×
D 2g
em que :
λ - coeficiente de resistência (adimensional);
g - aceleração da gravidade;
D - diâmetro da conduta;
U - velocidade média na conduta.
(15)
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
2.4.2.1 Determinação do coeficiente de resistência
Os valores do coeficiente de resistência (λ) podem ser obtidos
através das equações de Prandtl e Von Karmann - teoria da
turbulência - e comprovados através das experiências de
Nikuradze.
Nikuradze ao variar o factor de resistência com o número
de Reynolds, concluiu que o primeiro depende do segundo
e de outros parâmetros (adimensionais) que caracterizam
as asperezas das paredes do tubo. Nikuradze considerou
uma rugosidade teórica (ε) correspondente à dos grãos
de areia (calibrada) colados às paredes de tubos lisos, que
dividida por D, corresponde a um parâmetro adimensional
- rugosidade relativa (ε/D).
A variação de λ com Re apresenta, para cada valor de (ε/D),
quatro intervalos (I, II, III, IV) com leis de variação distintos:
• O intervalo I corresponde ao Regime laminar (Re < 2000
a 2500) onde se verifica uma variação linear de λ e Re,
sem depender da rugosidade da conduta, sendo:
λ = 64 / Re → Fórmula de Poiseuille
(16)
• Os intervalos II, III e IV correspondem aos regimes turbulento liso, turbulento de transição e turbulento rugoso.
A grande maioria dos escoamentos de fluidos, nas aplicações práticas de engenharia encontram-se neste
domínio e o coeficiente de resistência pode ser estimado
pela seguinte equação:
1
2,51
ε /D
= −2 log(
+
)
3,7
λ
Re× λ
(17)
Para aplicação dos estudos em laboratório (baseados numa
rugosidade teórica artificial - ε) às condutas comerciais,
define-se para essas condutas, uma rugosidade equivalente
(ke), que substituída na expressão de cálculo de λ, em
regime turbulento rugoso, conduz os mesmos valores que
foram obtidos experimentalmente com ε.
A determinação do coeficiente de resistência pode ser
obtido pela representação gráfica das experiências de
Nikuradse ou por via analítica.
a) Determinação de l, por via gráfica
O emprego da fórmula universal foi bastante simplificada
com o aparecimento de diagramas como o de "Moody", que
através da representação gráfica daquelas funções implícitas, permite a determinação expedita dos valores de λ,
com suficiente rigor.
FACTOR DE ATRITO λ
ZONA DE TRANSIÇÃO
TUBAGEM LISA
CAUDAL
LAMICAUDAL TURBULENTO
NAR
RUGOSIDADE RELATIVA DA SUPERFÍCIE K/d
NÚMERO DE REYNOLD
Diagrama de Moody para estabelecer o factor de atrito λ. O valor de λ é obtido através da utilização do número de Reynold e do valor de rugosidade relativa k/D como parâmetros, onde D é o
diâmetro interno da tubagem em mm e k é a rugosidade equivalente da superfície em mm.
Fig. 2 - Diagrama de Moody para a determinação do coeficiente de resistência
39
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
É importante relembrar que a determinação do coeficiente
de resistência, λ, através de fórmulas práticas (expressões
empíricas, válidas apenas em certas circunstâncias - fluido,
temperatura, secção transversal, material das paredes do
contorno sólido, etc. ...), quer sob a forma analítica, quer sob
a forma de ábacos ou tabelas apenas são válidas dentro das
condições particulares em que foram definidas.
Estes sistemas aparecem normalmente nas redes de
abastecimento de água municipais ou industriais e nas
redes de combate a incêndios.
b) Determinação de l, por via analítica
Diz-se que uma conduta tem distribuição de percurso
quando sofre uma variação de caudal ao longo do seu
percurso (escoamento em regime permanente variado).
Para cálculos mais exactos o cálculo do coeficiente de
resistência, λ, deve ser realizado por via analítica por
equações de reconhecida validade, como por exemplo pela
Fórmula de Colebrook-White:
kK / D
1
2,51
(18)
= −2 log(
+ ee
)
3,7
λ
Re× λ
Em que:
λ - coeficiente de resistência (adimensional);
Re - número de Reynolds (adimensional);
ke - rugosidade equivalente (m):
Chama-se nó ao ponto de intersecção de três ou mais
condutas e malha a todo o circuito fechado constituído por
três ou mais condutas ligadas em série.
Quanto à sua constituição, podemos considerar os
seguintes tipos de redes:
QUADRO 1 - TIPOS DE REDES
TIPO
DESCRIÇÃO
DISTRIBUIÇÃO
DE PERCURSO
REGIME DO
ESCOAMENTO
PERMANENTE
EMALHADA
só com malhas
sem
com
uniforme
variado
RAMIFICADA
só com condutas
em série
sem
com
uniforme
variado
MISTA
com condutas
em série e com
malhas
sem
com
uniforme
variado
D - diâmetro da conduta (m).
2.4.3 Perdas de carga localizadas
As perdas de carga localizadas ocorrem em singularidades
das condutas, ou seja, em trechos pequenos da conduta em
que se quebra a sua uniformidade.
Estas perdas de carga dependem de diversos factores relacionados fundamentalmente com as características do
escoamento a montante e a jusante da singularidade.
A determinação analítica destas perdas de carga localizadas
(∆HL) baseia-se na aplicação dos Teoremas da Quantidade
de Movimento e de Bernoulli, que permitem chegar a uma
expressão geral para este tipo de perdas de carga, exprimindo-as como percentagem da altura cinética (U2/2g):
∆H L = K L ×
U2
2g
(19)
Nas redes emalhadas o conhecimento do valor e sentido
dos caudais, em cada troço, são obtidos após o equilíbrio
da malha através da Lei da Continuidade (em cada nó os
caudais afluentes devem igualar os caudais efluentes) e Lei
das Malhas (numa malha a soma algébrica das perdas de
carga em todas as condutas deve ser nula).
em que KL é o coeficiente de perda de carga localizada,
sendo determinado experimentalmente para cada tipo de
singularidade.
2.6 Cálculo hidráulico
A determinação dos coeficientes de perda de carga em
diferentes singularidades (estreitamentos e alargamentos
suaves, mudanças de direcção, válvulas, etc. …) encontra-se
bem documentada em inúmeras publicações de hidráulica,
algumas das quais serviram de base ao presente texto e que
se encontram referenciadas nas referências bibliográficas.
Em regime uniforme e permanente, o caudal é constante
logo, seleccionando o diâmetro pode-se de seguida calcular
a velocidade e perda de carga.
2.5 Redes hidráulicas
2.5.1 Classificação das redes hidráulicas
As redes de condutas consideram-se sistemas complexos
porque são constituídas por tubagens ligadas em série e/ou
paralelo, formando feixes ou malhas de condutas.
40
Nas redes ramificadas a direcção do escoamento é única e
portanto conhecida. Logo, conhecendo-se os caudais e os
diâmetros é possível de imediato o cálculo das perdas de
carga.
2.6.1 Regime uniforme e permanente
Em regime variado há uma variação de caudal ao longo do
percurso, por considerar por exemplo os consumos domésticos, as perdas de carga são contabilizadas considerando
que o escoamento se faz em regime permanente variado.
Chama-se caudal unitário de percurso (q) ao parâmetro que
traduz a variação média do caudal ao longo da conduta:
q=
Qm − Qj
⇔ Qm = Qj + q × L
L
(20)
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
Os custos de investimento são directamente proporcionais
ao diâmetro instalado e os consumos de energia inversamente proporcionais ao mesmo valor.
Em que:
q
- caudal unitário de percurso;
Os passos fundamentais a seguir nos cálculos a efectuar
são:
Qm - caudal no extremo de montante;
Qj - caudal no extremo de jusante;
L
- comprimento da conduta.
Havendo uma variação da velocidade ao longo da trajectória, há uma variação do coeficiente de perda de carga, que
se traduz numa variação parabólica da linha de energia. Tal
facto dificulta o cálculo das perdas de carga em cada trecho
da conduta.
Bresse ultrapassou esta dificuldade considerando um caudal
equivalente ( Qe ):
Qe = Qj + 0.55 × q × L
(21)
Trata-se de um caudal fictício que, em movimento uniforme
e para um dado diâmetro, conduz ao mesmo valor da perda
de carga que a verificada em regime permanente variado,
considerando os caudais que realmente circulam na rede.
Com esta simplificação o cálculo hidráulico de regime permanente variado é transformado, para efeito do cálculo das
perdas de carga, em regime uniforme e permanente.
2.7 Dimensionamento económico de
condutas
Apresentam-se neste ponto os passos fundamentais para o
desenvolvimento dos cálculos que permitem seleccionar os
diâmetros económicos das condutas.
O processo de dimensionamento consiste em determinar o
diâmetro que minimize a soma dos custos de investimento
com os de energia (não se consideram outros custos de
exploração), conforme se representa na Fig. 3.
- Selecção de um conjunto de diâmetros (comercialmente disponíveis) a partir de velocidades médias
(0,6 a 1,5 m/s) e de critérios de velocidade mínima
e máxima.
- Cálculo dos custos de investimento em função dos
diâmetros seleccionados.
- Cálculo dos custos de energia do período de vida da
obra. (actualizados ao ano 0)
- Adição dos custos anteriores para os diversos
diâmetros seleccionados e verificação de que o
conjunto de diâmetros seleccionados contém o
diâmetro (comercialmente disponível) mais económico. Para tal acontecer os custos associados aos
diâmetros extremos seleccionados deverão ser
superiores a pelo menos um dos custos associados a
um dos diâmetros intermédios.
- Selecção do diâmetro mais económico.
Especialmente nos diâmetros mais pequenos a alteração de
um diâmetro para o da série comercial imediatamente inferior poderá representar alterações significativas em alguns
parâmetros de controlo, uma vez que a perda de carga
aumenta de forma quadrática com a velocidade e esta
aumenta igualmente de forma quadrática com o diâmetro.
2.8 Curva característica da instalação
A curva característica da instalação será a curva que traduz,
para cada caudal, a altura de elevação necessária para esta
instalação. Será em cada ponto a soma da altura geométrica
com todas as perdas no sistema para esse caudal.
2
H = f (Q ) → H man = H geo + ∑ J i × Li + ∑ ki × U
2g
2
(22)
Altura
Perdas
de carga
carga
Perdas de


V2
 ∑ K i i + ∑ J i × Li 


2g


Altura geométrica
Caudal
Fig. 4 - Curva característica da instalação
Fig. 3 - Variação dos custos de investimento e energia com o
diâmetro de condutas.
As perdas de carga têm variação quadrática com o caudal,
apresentando a curva característica da instalação a forma
apresentada na figura 4.
41
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
2.9 Bombas centrífugas
2.9.1 Definição
Uma bomba é denominada centrífuga quando a direcção
de escoamento do fluido é perpendicular à do eixo de
rotação da hélice e podem ser classificadas da seguinte
forma:
Nesta situação, a descarga de uma bomba dum estágio
é injectada na admissão de uma bomba de um segundo
estágio, onde se preserva a pressão do primeiro. O fluido
depois de entrar no segundo estágio terá um aumento de
energia sob forma de aumento de pressão e assim sucessivamente. As bombas multiestágio podem ser consideradas
como bombas com vários estágios simples, montadas sobre
o mesmo eixo e com descargas em série.
Quanto ao n.º de impulsores:
a) De um só andar: quando têm um só impulsor;
b) De andares múltiplos: quando existem vários impulsores.
Quanto ao sentido de rotação:
a) De sentido directo: se o eixo da bomba roda no sentido
anti-horário;
b) De sentido retrógrado: se o eixo da bomba roda no sentido horário.
Quanto à posição do eixo:
a) Eixo horizontal;
b) Eixo vertical;
c) Eixo inclinado.
2.9.2 Constituição
Na sua forma mais simples, a bomba é constituída por um
rotor que gira no interior de uma carcaça. O fluido entra na
bomba nas vizinhanças do eixo do rotor propulsor e é
lançado para a periferia pela acção centrífuga. A energia
cinética do fluido aumenta do centro do rotor para a ponta
das palhetas propulsoras. Esta energia cinética é convertida
em pressão quando o fluido sai do impulsor e entra na voluta
ou difusor. Veios condutores fixos no corpo da bomba podem
ajudar a dirigir o fluido, melhorando a eficiência da bomba;
Fig. 6 - Corte numa bomba multicelular
Muito resumidamente, as principais peças constituintes de
uma bomba centrífuga, são as seguintes:
• Corpo da bomba;
• Motor eléctrico;
• Propulsor ou rotor;
• Veios condutores;
• Sistema de refrigeração;
• Sistema de lubrificação.
Normalmente o propulsor é considerado o coração da bomba,
sendo constituída por um disco que roda a alta velocidade,
o que permite transmitir a energia ao líquido para este
adquirir o aumento de pressão desejado.
Fig. 5 - Forma típica do corpo uma bomba centrífuga
Uma bomba centrífuga com um só rotor é uma bomba de
um único estágio (ou andar). Quando se deseja ter uma combinação de pressão total e capacidade que não se enquadra
numa bomba de um só estágio, usa-se uma bomba multiestágio.
42
2.9.3 Curva característica da bomba
A equação básica da bomba é utilizada para calcular e
desenhar formas geométricas e dimensões, assim como
para deduzir a curva Q/H da bomba centrífuga.
A Figura 3 ilustra uma alheta de um impulsor e os respectivos vectores de velocidade.
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
Alheta de impulsor de bomba com os vértices de velocidade nos bordos de ataque e fuga. Velocidade absoluta do líquido v, velocidade relativa w, velocidade periférica da alheta u, componente
tangencial da velocidade absoluta do líquido vu e componente radial vm .
Fig. 7 - Representação dos vectores velocidade na alheta do impulsor
Na figura 7, são representados os vectores velocidade nos
bordos de ataque e fuga, onde:
v = velocidade absoluta do líquido;
w = velocidade relativa à alheta;
u = velocidade periférica da alheta;
vu = componente tangencial da velocidade absoluta;
vm = componente radial da velocidade absoluta.
A velocidade relativa é paralela à alheta em qualquer
ponto.
Para além disso, vu1 = v1 cos α1 e vu2 = v2 cos α2
1
(u2vu 2 − u1vu1 )
g
A redução de pressão causada por perdas no escoamento é
tomada em consideração pelo rendimento hidráulico e a
redução devido ao desvio do caudal de uma ângulo ideal β2
é contabilizado por um coeficiente de alheta k. Com estas
modificações, a equação de Euler para uma bomba real tem
o seguinte aspecto:
ηh
(ku2vu 2 − u1vu1 )
(24)
g
É possível mostrar que ηh e k são menores que a unidade.
Ht =
Partindo do princípio que o caudal não tem perdas e que o
número de alhetas é infinito (∞), é possível derivar a familiar teoria da equação básica da bomba utilizando as leis da
mecânica. Esta relação é conhecida como equação de Euler
e é expressa do seguinte modo:
Ht∞ =
Numa bomba real, não é possível satisfazer nenhum destes
princípios, visto que existem sempre perdas por atrito e o
número finito de alhetas não direccionará o caudal completamente na direcção da alheta.
(23)
onde o índice t referencia um caudal sem perdas e ∞
. referencia o princípio do número infinito de alhetas que garante
o direccionamento completo do líquido.
As bombas centrífugas são normalmente concebidas com
α1 = 90°, logoνu1 = 0.
Assim sendo, a equação básica da bomba é simplificada para:
uv
H t = kη h 2 u 2
(25)
g
A altura manométrica ideal obtida pela equação de Euler é
independente do caudal Q. Se a curva Q/Ht∞ for traçada,
Ht∞. é indicado por uma linha recta. A curva real Q/H é
derivada desta curva através da subtracção dos efeitos do
43
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
número finito de alhetas e de várias outras perdas que
ocorrem no interior da bomba, conforme se pode ver na
Figura seguinte.
Perdas
Redução do caudal Q causada
por perdas por fuga Hv
Efeito do número finito de alhetas Ht
Perdas por atrito Hr
Perdas por descontinuidade Hs
Velocidades (w) e perdas relativas do bordo de ataque da alheta com várias
velocidades de caudal. As perdas mínimas ocorrem com o caudal nominal da
bomba, quando o ângulo de ataque do líquido é igual ao ângulo β 1 do bordo
de ataque da alheta.
Fig. 9 - Velocidades e perdas no bordo de ataque da alheta com
várias velocidades.
Fig. 8 - Redução (H) da curva verdadeira da bomba Q/H relativa à
altura teórica da bomba Ht∞.
As perdas mínimas ocorrem com o caudal nominal da
bomba, quando o ângulo de ataque do líquido é igual ao
ângulo β1 do bordo de ataque da alheta.
O Efeito do Número Finito de Alhetas
• No bordo de fuga da alheta, ocorrem perdas devido aos
redemoinhos causados por esta. O seu aumento é proporcional ao quadrado do caudal.
Conforme indicado anteriormente, a existência de um número
finito de alhetas diminui a altura manométrica pelo factor
de alheta k. Se tomarmos este factor em consideração, poderemos obter a altura teórica Ht. Poderemos escrever que:
H t = kH t∞
(26)
Ht não é perfeitamente linear, porque o coeficiente de
alheta é ligeiramente dependente do caudal Q. A redução
de altura de Ht∞. para Ht não é causada por perdas de caudal
mas sim pelo desvio do líquido dos ângulos ideais devido ao
número finito de alhetas.
Perdas por Atrito Hf
As perdas por atrito ocorrem à medida que o líquido flui
pelas passagens do impulsor e da voluta da bomba. O seu
aumento é proporcional ao quadrado do caudal Q.
Perdas por Descontinuidade Hs
As perdas por descontinuidade são geradas nas seguintes
áreas:
• No bordo de ataque da alheta, onde o líquido atinge a
ponta da alheta. A perda é mais pequena no ponto de
concepção da bomba, onde o líquido entra em contacto
com a alheta no ângulo β1. As perdas aumentam com o
aumento do desvio do ângulo de contacto do ângulo da
alheta β 1; conforme se pode constatar na figura seguinte.
44
• Na voluta da bomba, com velocidades de caudal diferentes do valor nominal, quando o caudal na voluta é
diferente do caudal no perímetro do impulsor. Este efeito
é ilustrado na Figura 9. As diferenças de velocidade
causam turbulência que originam perdas, cujo aumento é
proporcional ao aumento de diferença entre o caudal real
e o caudal nominal.
Perdas por fuga Hv
As perdas por fuga ocorrem na folga entre o impulsor e a
voluta da bomba. Por muito pequena que seja a folga, um
pequeno retorno de caudal passa da área de elevada
pressão junto da borda do impulsor para a área de baixa
pressão do aro de junta do impulsor. Por este motivo, o caudal
através do impulsor é ligeiramente maior do que o caudal
de saída da voluta da bomba, pelo que a cabeça da bomba
encontra um caudal reduzido; a diferença é a perda por
fuga Hv. O efeito da perda por fuga está ilustrado na Figura 8.
Esta perda aumenta à medida que a bomba vai sendo
desgastada.
Outras Perdas
Existem outras perdas numa bomba centrífuga que não
afectam a curva Q/H mas que aumentam o consumo de
energia da transmissão do motor. Estas perdas incluem:
• perdas por atrito nas superfícies exteriores do impulsor;
• perdas por atrito no empanque da transmissão;
• perdas por atrito na chumaceira.
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
2.10 Cavitação e NPSH
A cavitação é o fenómeno hidráulico associado à formação
e colapso de bolhas de vapor num líquido. As bolhas de
vapor são formadas quando a pressão estática local de um
líquido em movimento diminui até atingir um valor igual
ou inferior ao da pressão do vapor desse líquido para uma
dada temperatura. Quando a bolha se desloca com o fluido
para uma área de pressão superior, o seu colapso ocorrerá
rapidamente. A implosão causa uma onda de choque local
transitória e extremamente alta no líquido. Se a implosão
ocorrer perto de uma superfície e ocorrer repetidamente, a
pressão do choque irá eventualmente originar a erosão do
material dessa superfície.
tação, pelo que deverão ser tomados os devidos cuidados se
as condições de funcionamento da bomba apresentarem o
risco de ocorrência de cavitação.
Normalmente, as marcas de desgaste causadas pela cavitação
ocorrem localmente e consistem em picagens profundas
com bordos afiados. As picagens podem ter vários milímetros
de profundidade;
Habitualmente, o fenómeno da cavitação nas bombas centrífugas ocorre numa localização perto do bordo de ataque da
alheta do impulsor; conforme representado na figura seguinte.
Implosão de
bolhas de vapor
Fig. 11 - Impulsor demonstrando estragos motivados por cavitação
Bolhas de vapor
A formação e desaparecimento das bolhas de vapor é
designada por fenómeno de CAVITAÇÃO, tendo como consequência mais gravosa a deterioração mecânica precoce da
bomba.
A cavitação numa bomba apresenta duas desvantagens:
• A criação e colapso das bolhas de vapor podem danificar
a bomba;
• A bomba torna-se muito menos eficiente porque passa
a bombear uma mistura de líquido e vapor, com uma
densidade muito mais baixa.
Fig. 10 - Influência do ângulo no bordo de ataque da alheta
Se o líquido for bombeado de modo a atingir o bordo de
ataque da alheta a um ângulo diferente do da alheta,
formam-se redemoinhos e zonas de baixa pressão do outro
lado da alheta. Se a pressão cair abaixo da pressão do vapor,
formam-se bolhas de vapor. Se estas se moverem no fluido
para uma zona de pressão superior, irão eventualmente
implodir. O impacto de alta pressão resultante poderá originar
picagem e a erosão da estrutura adjacente.
Uma bomba com cavitação emite um ruído de crepitação
característico, tal como se estivesse a bombear areia. Não
existe nenhum material que suporte totalmente a cavi-
Logo, na instalação de qualquer bomba, é necessário que no
dimensionamento desta seja acautelado a ocorrência de
cavitação, particularmente, com líquidos quentes e voláteis.
Definição de NPSH
NPSH é o acrónimo do termo inglês Net Positive Suction
Head e representa a diferença entre a pressão estática
absoluta e a tensão de vapor do líquido (normalmente
expressa em metros). O cálculo do NPSH é baseado nos
seguintes parâmetros:
ht = altura geométrica de entrada;
hA = diferença de altura entre o plano de referência e a
ponta do bordo de ataque da alheta;
45
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
Hrt = perdas de caudal na tubagem de entrada;
Vo2/2g= quebra de pressão causada pela velocidade de
entrada;
∆h = quebra de pressão local no bordo de ataque da alheta;
ataque da alheta. Nas bombas horizontais, o plano de referência coincide com a linha central da transmissão. Nas
bombas verticais, a localização do plano de referência é
indicada pelo fabricante.
NPSH Requerido
Pb = pressão ambiente ao nível do líquido;
O NPSH requerido é obtido a partir da seguinte equação:
Pmin= pressão estática mínima na bomba;
Pv = pressão do vapor do líquido à temperatura dominante.
NPSH requerido = hA +
As alturas de pressão são apresentadas na Fig. 12.
BOMBA HORIZONTAL
BOMBA VERTICAL
vo
2
2g
+ ∆h
Este valor também é conhecido como valor de NPSH da
bomba. Este valor pode ser apresentado como uma função
do caudal, conforme demonstrado na Figura 14.
Pressão Mínima
NPSH
requerido
NPSH requerido
Plano de Referência
Fig. 12 - Dimensões e pressões de referência para o cálculo do NPSH
Para evitar a cavitação, a pressão estática mínima na bomba
(Pmin) tem de ser maior do que a pressão do vapor do líquido,
ou Pmin > pv
A Figura 13 ilustra o princípio da distribuição da pressão
estática do líquido na tubagem de entrada, na bomba e na
tubagem de pressão de uma instalação de uma bomba em seco.
Pressão estática do líquido
Fig. 14 - Variação típica do NPSH requerido com o caudal.
O NPSH da bomba é independente da temperatura e do
tipo do líquido que está a ser bombeado. O fabricante da
bomba é obrigado a indicar o NPSH como um valor numérico
ou uma curva.
Na realidade, qualquer bomba terá valores de NPSH diferentes dependendo da definição da ocorrência, como pode
ser visto na Figura 15.
NPSH
NPSHF (Sem cavitação)
NPSH início do ruído
NPSH início da perda material
Pressão mais baixa na bomba
Pressão do vapor
NPSH0 (0% de perda de
altura manométrica)
Pressão 0 absoluta
NPSH3 (3% de perda de
altura manométrica)
Variação de pressão numa instalação de bomba em seco. Distribuição da pressão
estática do líquido na tubagem de entrada, na bomba e na tubagem de pressão.
Fig. 13 - Dimensões e pressões de referência na aspiração da bomba
Plano de Referência
O plano de referência é o plano no qual os cálculos do NPSH
são efectuados. Trata-se do plano horizontal que atravessa
o ponto central do círculo descrito pela ponta do bordo de
46
Fig. 15 - Curvas de NPSH
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
De acordo com os padrões de teste utilizados pelos fabricantes de bombas, o NPSHr é definido como a situação
onde a altura manométrica da bomba sofre uma
diminuição de 3% devido à cavitação. Este valor é definido
como NPSH3.
A cavitação ligeira pode ser inofensiva para a bomba se as
bolhas de vapor não implodirem perto das suas partes
estruturais, tais como a alheta do impulsor. A diferença
entre os vários valores de NPSH é maior nas bombas
equipadas com impulsores com menos alhetas. Assim
sendo, os impulsores monocanal registam as maiores diferenças nos valores de NPSH devido à quebra da curva do
NPSH3 e os seus testes apresentam resultados demasiado
favoráveis.
Por este motivo, uma curva de NPSHr baseada na regra de
3% do padrão é uma base insuficiente para a avaliação do
risco de cavitação em bombas com poucas alhetas. Em
princípio, a curva de NPSHr publicada pelo fabricante deve
garantir que a bomba não será danificada se for utilizada
acima dessa curva. Isto aplica-se especialmente às bombas
de águas residuais, que têm um número reduzido de
alhetas do impulsor. O problema é que não existe nenhum
modo exacto de testar e estabelecer este valor de NPSH.
NPSH Disponível
O NPSH disponível indica a pressão disponível para a aspiração da bomba sob as condições dominantes. Este valor
pode ser denominado o NPSH da instalação sobrepressora.
O termo ht é positivo quando o plano de referência se
encontra acima da superfície do líquido e negativo quando
este se encontra abaixo da superfície. O NPSH disponível é
determinado pelo projectista da instalação.
NPSH disponivel =
Pb
pv
− H rt − ht −
ρg
ρg
(27)
Margem de Segurança do NPSH
requerido + Margem de segurança
NPSHdisponível >NPSH
.
A margem de segurança do NPSH deve ser suficientemente
grande para suportar variações numa situação onde as
condições reais podem ser diferentes das calculadas teoricamente. As perdas de carga na tubagem de aspiração
podem ser incorrectamente calculadas e o ponto de funcionamento real da bomba pode diferir do teórico devido a
variações na curva Q/H e a cálculos incorrectos da resistência
da tubagem de aspiração. A cavitação prejudicial poderá
ocorrer mais cedo do que o esperado, ou com valores de
NPSH maiores do que NPSH3 (Figura 15). As variações técnicas
de fabrico do formato do bordo de ataque da alheta podem
afectar o comportamento da cavitação. O NPSH requerido
também poderá ser afectado pela forma da tubagem de
entrada.
Para bombas instaladas horizontalmente com tubagens de
sucção rectilíneas, uma margem de segurança de 1 a 1,5 m
é suficiente.
Para bombas instaladas verticalmente, a margem de segurança deve ser definida entre 2 e 2,5 m, desde que seja
utilizada uma curva cónica antes da entrada da bomba. O
raio de curvatura da linha central da curva não deve ser
inferior a D1 + 100 mm, onde D1 é o diâmetro da abertura
de maiores dimensões.
O NPSH, as suas margens de segurança e métodos de
medição, encontram-se detalhadamente descritos na
publicação do EUROPUMP "NPSH FOR ROTODYNAMIC
PUMPS, REFERENCE GUIDE"(1997), cuja metodologia foi
seguida no presente trabalho.
2.11 Leis de semelhança
O traçado das curvas características depende do raio do rotor
(impulsor) e da velocidade de rotação deste. A alteração
destes dois parâmetros provoca alterações nas curvas características. Na prática, existem muitas bombas centrífugas
com velocidade de rotação variável, isto é, possuem um
mecanismo do tipo variador de frequências, que permite
alterar a velocidade de rotação do seu impulsor. Este procedimento é muito frequente, pois é necessário, em muitas
situações, encontrar o caudal desejado ou os parâmetros de
dimensionamento adequados.
Através das leis de semelhança entre bombas centrífugas, é
possível determinar curvas características de bombas a
partir de uma conhecida. Por exemplo, conhecendo a curva
característica de uma bomba a uma determinada velocidade de rotação do rotor, é possível determinar essa mesma
curva a uma velocidade de rotação diferente.
Estas leis são relações entre: caudal (Q), carga a desenvolver
pela bomba (H), potência (P) e carga efectiva positiva de
sucção (H) com a velocidade do rotor (N) ou com o diâmetro
do rotor (D).
Efeito da variação da velocidade do rotor com o diâmetro
constante:
Caudal
Q2 N 2
=
Q1 N1
Carga Hidrostática
H2  N2 

=
H 1  N1 
Potência
P2  N 2 

=
P1  N1 
Carga efectiva positiva de sucção
H2  N2 

=
H 1  N1 
2
3
2
47
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
Efeito da variação do diâmetro do rotor com velocidade de
rotação do rotor constante:
Caudal
Q2 D2
=
Q1 D1
Carga Hidrostática
H 2  D2 

=
H 1  D1 
Potência
P2  D2 

=
P1  D1 
Carga efectiva positiva de sucção
H 2  D2
=
H 1  D1
2
3



2
2.12 Ponto de funcionamento de uma
bomba centrífuga
O ponto de funcionamento de uma bomba corresponde à
intercepção da curva característica da bomba (H/Q), com a
curva característica da instalação. Com esse ponto, temos o
caudal que pode ser bombeado naquela instalação, a potência
absorvida, o rendimento e o N.P.S.H.req. (≤ N.P.S.H.dis.).
Fig. 16 - Ponto de funcionamento de uma bomba
48
Conceitos Fundamentais de Hidráulica, Bombas Centrífugas e Redes Hidráulicas
2.13 Referências bibliográficas
EUROPUMP (1997)
NPSH FOR ROTODYNAMIC PUMPS, REFERENCE GUIDE
QUINTELA, ANTÓNIO C. (1981)
HIDRÁULICA - FUNDAÇÃO CALOUSTE GULBENKIAN
NOVAIS-BARBOSA, J. (1986)
MECÂNICA DOS FLUIDOS E HIDRÁULICA GERAL
- PORTO EDITORA
MACINTYRE, ARCHIBALD J. (1988)
BOMBAS E INSTALAÇÕES DE BOMBEAMENTO
GRUNDFOS (1996)
MANUAL DE ENGENHARIA - ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS DE
ÁGUAS RESIDUAIS
49
50
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
3. SISTEMAS DE PRESSURIZAÇÃO COM VELOCIDADE
FIXA E VELOCIDADE VARIÁVEL
Autor: Eduardo Nunes
Director de Projectos da Profluidos
Professor Adjunto Equiparado do Dept. de Eng.ª Mecânica
(DEM) do ISEL
51
52
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
A Profluidos
A Profluidos - Gabinete de Projectos de Instalações Especiais, Lda. foi fundada em 1986 e intervenciona nas áreas de Elaboração
de Estudos e Projectos de Engenharia, Consultadoria e Assistência Técnica, sendo especializada nas áreas das Instalações
Especiais e do Saneamento Básico.
É uma empresa multidisciplinar, especializada nas suas áreas de actuação, caracterizada pela qualidade, eficiência, rapidez de
resposta e segurança de actuação, tendo como objectivo último, a satisfação dos seus clientes.
Formada por um Quadro Técnico Qualificado de especialistas que possuem uma longa experiência nos diferentes domínios de
intervenção, dispõe ainda de uma vasta equipa de consultores externos com formação técnica e pedagógica devidamente
actualizada.
Com ampla experiência nacional e internacional, a Profluidos, garante a qualidade técnica dos projectos, sempre devidamente
adaptados às necessidades e assegura a indispensável assistência técnica, tendo em atenção parâmetros que considera de
capital importância, na procura de um produto final de qualidade.
O ISEL
O Instituto Superior de Engenharia de Lisboa (ISEL) é a mais antiga escola de engenharia em Portugal. Teve a sua génese
em 30 de Dezembro de 1852, por Decreto Régio de D. Maria II, que criou o Instituto Industrial de Lisboa.
Este Instituto passou a ter estatuto de ensino superior com a denominação de Instituto Superior de Engenharia de Lisboa,
por Decreto-Lei 830/74 de 31 de Dezembro.
Em 25 de Outubro de 1988, pelo Decreto-Lei 389/88 passa a fazer parte da rede de estabelecimentos de Ensino Superior
Politécnico, integrado no Instituto Politécnico de Lisboa.
O ISEL conta actualmente com cerca de 6000 alunos, 500 docentes e 130 funcionários não docentes.
53
54
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
3.1 Introdução
O presente capítulo deste manual tem por objectivo descrever
e caracterizar os tipos de sistemas de elevação existentes,
apresentar a metodologia de dimensionamento dos seus
componentes, os requisitos principais relativos à sua instalação e custos de exploração associados.
As aplicações cobertas por este tema são muito vastas e
destinam-se principalmente aos sistemas prediais, rega,
abastecimento público e indústria. Face à vastidão dos seus
campos de aplicação optámos por exemplificar os sistemas
de pressurização com velocidade fixa e velocidade variável
aplicados aos sistemas prediais abastecidos pela rede
pública, embora os mesmos princípios sejam extensivos a
todas as demais aplicações.
Na actualidade, tem vindo a divulgar-se a utilização de
sistemas por bombeamento directo. Tratam-se de sistemas
sem o recurso a reservatórios hidropneumáticos.
Nos sistemas por bombeamento directo podem considerar-se duas soluções alternativas.
A primeira solução, cada vez mais corrente no mercado,
consiste em utilizar bombas de velocidade variável, que
automaticamente, sob a acção de transdutores e circuitos
electrónicos, adequam a velocidade de rotação às exigências de caudal que é solicitado em cada instante pela rede.
Quando a pressão que está disponível na rede pública de
distribuição de água potável é insuficiente para garantir o
funcionamento dos aparelhos de consumo, em parte ou na
totalidade dos pisos de um edifício, torna-se necessário
recorrer a dispositivos de elevação de pressão apropriados.
O seu correcto dimensionamento, instalação e manutenção
reveste-se da maior importância, quer sob o ponto de vista
funcional, para garantir de modo satisfatório as exigências
de caudal e pressão dos diversos aparelhos de consumo
prediais, quer sob o ponto de vista económico, nomeadamente os custos de instalação e exploração e finalmente da
manutenção com influência na duração dos equipamentos,
tubagens e dos aparelhos de consumo.
Fig. 2 - Bomba de velocidade variável
A segunda solução consiste na utilização de duas ou mais
bombas de velocidade fixa instaladas em paralelo, com
arranque e paragem automáticas, em função do caudal ou
pressão, ao mesmo tempo que é operada também de uma
forma automática uma válvula de controlo de pressão, em
série ou em paralelo com as bombas.
3.2 Tipos de sistema de elevação de pressão
Uma situação corrente tem sido a utilização de sistemas
hidropneumáticos. Nestes sistemas existe obrigatoriamente um ou mais reservatórios metálicos onde a água é
mantida sob pressão.
Fig. 3 - Válvula de controle de pressão em paralelo com as bombas
HOTEL
Fig. 4 - Válvula de controlo de pressão em série com as bombas
3.3 Centrais hidropneumáticas
3.3.1 Constituição e princípio de funcionamento
Os principais órgãos de uma central hidropneumática são:
Fig. 1 - Instalação típica de centrais hidropneumáticas em edifícios de
grande altura
- Um ou mais reservatórios fechados, com ou sem membrana;
- Um conjunto de bombeamento para os reservatórios;
- Um dispositivo para compensar o ar dissolvido na água
(no caso de reservatórios sem membrana);
- Pressóstatos ou sensores de pressão;
55
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
- Eléctrodos ou interruptores de nível;
- Manómetros, medidores de caudal e todos os sensores e
equipamento necessário ao comando, protecção e controle
das bombas e compressores;
O seu princípio de funcionamento é o seguinte: sempre
que o nível da água atinge o ponto mais baixo no interior
do reservatório hidrofórico, um interruptor de flutuador,
pressóstato, ou ainda, um sensor, dá partida à bomba,
enchendo-se o reservatório. À medida que o nível da água
se eleva no reservatório, aumenta a pressão no seu interior
e a almofada de ar comprime-se armazenando energia
potencial (elástica). Quando a água atinge o nível máximo
a bomba é desligada; se for entretanto atingido um nível
superior préfixado será accionado o compressor de ar.
Noutras, pelo contrário, a curvatura é acentuada (tangente
>> 0) pelo que uma pequena variação de caudal é acompanhada por uma grande variação da altura de elevação e por
consequência da pressão (curva típica de bombas multicelulares).
Para melhor precisar estas noções, considera-se a zona de
variação de caudal correspondente à parte útil da curva
característica das bombas (fig. 6), ela é limitada pelos caudais
mínimo qm e máximo QM.
Distinguem-se os casos:
Característica pouco inclinada quando qm < 1/2 QM;
Característica inclinada em que qm ≥ 1/2 QM.
Instalações de grande e médio porte exigem a aplicação de
um ou mais reservatórios de membrana ou uma central
de ar comprimido. Em instalações de pequeno porte poderá
ser utilizado com reservatórios ou carregador de ar ou
reservatórios com membrana a separar a fase líquida da
fase gasosa.
3.3.2 Grupos electrobomba
3.3.2.1 Selecção das bombas
A zona útil da curva característica de uma bomba é definida
por critérios técnico económicos.
Fig. 6 - Definição das curvas características das bombas
Uma bomba não pode funcionar sem inconvenientes, com
caudais muito superiores ou muito inferiores ao caudal
correspondente ao ponto de maior rendimento; ela deverá
funcionar assim numa zona de bom rendimento. Esta zona
é em geral definida pelo fabricante.
No primeiro caso, quando duas bombas funcionam em
paralelo, a zona útil de variação de caudal das duas bombas
recobre parcialmente a zona útil de uma única bomba
(fig. 6). No segundo caso as duas zonas não se recobrem.
O caudal de dimensionamento das bombas deve ser 15 % a
25 % superior ao caudal máximo do consumo previsto para
o edifício. A pressão correspondente a essa descarga é a
altura manométrica da instalação.
Fig. 5 - Zona útil da curva característica de uma bomba Grundfos
As curvas características das bombas podem ter diferentes
configurações:
Algumas caracterizam-se por apresentar um traçado de
tangente praticamente horizontal, o que quer dizer que a
uma grande variação de caudal corresponde uma pequena
variação da altura de elevação da bomba e correspondentemente da pressão (curva típica das bombas monocelulares);
56
Fig. 7 - Selecção das bombas
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
A experiência mostra que quanto maior é a diferença de
pressão entre o arranque e a paragem das bombas mais
reduzido resulta o volume do reservatório. Assim, a
selecção dos grupos electrobomba deve ser a favor dos que
se caracterizam por curvas características com inclinação
acentuada, ou seja, bombas multicelulares.
O caudal médio de uma bomba determina-se pela
expressão:
Qm =
em que:
2
2
2 (Qa + Qa − Q p + Q p )
×
3
Qa + Q p
Qa - caudal de arranque;
Qp - caudal de paragem
Também se pode empregar a fórmula simplificada:
Qm =
Qa + Q p
2
3.3.2.2 Comando das bombas
Nas centrais de pressurização com bombas de velocidade
fixa, o arranque e a paragem das bombas são efectuados
automaticamente, através de uma das duas opções:
- Através do diferencial de pressão, designada regulação
manométrica.
- Através do diferencial de caudal, designada regulação
debitométrica.
3.3.2.2.1 Regulação manométrica
A regulação manométrica é a mais utilizada, e realiza-se
como se segue:
Se o consumo da rede aumenta quando se encontra a
funcionar apenas uma das bombas do sistema, a sua curva
de funcionamento evoluirá de R1 para R6, passando por
todas as fases intermédias, o ponto de funcionamento
desloca-se progressivamente de A1 para A2 e A3. Nesta
evolução, o caudal debitado pela bomba aumentará para
satisfazer o consumo, mas a pressão de descarga da bomba
diminuirá, conforme está representado na figura 8. Em A3 é
atingida a pressão mínima, o que faz arrancar a segunda
bomba do sistema e a curva funcional passa a ser a curva
2P (duas bombas em funcionamento). Com o arranque da
segunda bomba, ocorre um salto brusco de A3 para B3. Se
o consumo de água continua a aumentar, evolui-se progressivamente de B3 para B4 e seguidamente, para B5. Nesta situação, é posta em marcha a terceira bomba, com passagem
do ponto de operação de B5 para C5 seguida de uma
evolução progressiva de C5 para C6 e assim por diante.
Fig. 8
Verifica-se o mesmo procedimento quando as necessidades
de água diminuem:
- Evolução progressiva de C6, para C5 e por fim C4, correspondente à pressão máxima de funcionamento com três
grupos electrobomba.
- Paragem da terceira bomba 3P e passagem para um
funcionamento com duas bombas, correspondente à
curva 2P, o ponto de operação do sistema passa de C4
para B4.
- Paragem da segunda bomba, e operação com a curva 1P
em que o ponto de funcionamento passa de B2 para A2.
- Evolução de A2, até A1, etc.
Os órgãos que asseguram o arranque e a paragem das
bombas são os pressóstatos. São dispositivos providos de
contactos eléctricos biestáveis, que são accionados mecanicamente pela pressão da água, que permitem, através do
circuito de comando a abertura e fecho dos contactores de
potência.
Destacam-se alguns inconvenientes relacionados com este
tipo de funcionamento:
- Quando o caudal solicitado pela rede for inferior a Qa0,
o funcionamento é instável com arranques e paragens
frequentes da bomba.
- Em cada arranque e paragem de uma das bombas, ocorre
uma variação brusca do ponto de funcionamento e consequentemente, do respectivo caudal e da pressão.
- Determinadas gamas de caudais não são abrangidas, tais
como as zonas entre Qa3 e Qb2 e também entre Qb5 e Qc4, se
o caudal requerido cair e permanecer no interior destas
zonas, o funcionamento também será irregular com paragens e arranques frequentes, sendo o caudal debitado
pelas bombas desajustado às necessidades.
Para se evitarem os inconvenientes descritos, deve instalar-se um depósito hidropneumático ligado ao colector de
descarga comum das bombas (fig. 9).
57
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
pressão do ponto de funcionamento D. A diferença de
pressão entre C e D' deve-se também às perdas da carga da
ligação ao depósito.
Fig. 9
O ar sob pressão, aprisionado na parte superior do depósito,
é comprimido e expandido em função da pressão de funcionamento das bombas, ao contrário da água que é praticamente incompressível. A maior parte dos depósitos são,
actualmente, equipados com membranas que impedem o
contacto do ar com a água, impedindo a dissolução do ar
na água, reduzindo os problemas de corrosão e evita a
introdução de dispositivos de compensação de ar. Como se
pode observar na fig. 10, a presença do depósito hidropneumático altera ligeiramente os pontos de funcionamento
do sistema.
A característica da curva de funcionamento do sistema
varia continuamente em função do caudal solicitado pelos
consumidores. O somatório dos caudais individuais corresponde ao caudal global de valor aleatório, que estará
compreendido entre 0 e Qmax. O dimensionamento de uma
instalação tem como objectivo a satisfação do caudal de
ponta, consumido pelo edifício e da respectiva pressão de
operação.
No exemplo ilustrado na figura 11, verifica-se que há uma
sobreposição das gamas de caudal entre n bombas e n+1
bombas em funcionamento porque Qb1 é inferior a Qb2. Um
caudal compreendido entre Qa1 e Qa2 pode ser fornecido
com n+1 bombas em funcionamento contínuo. Um caudal
compreendido entre Qb1 e Qb2 poderá ser fornecido com n+1
bombas em funcionamento contínuo. O caudal Q' poderá
ser garantido com n bombas (ponto A') ou n+1 bombas (B')
em funcionamento contínuo.
Fig. 11 - Gama de caudais garantidos por n bombas - Sobreposição
com a zona de caudais debitados por n+1 bombas
Fig. 10
Modo de funcionamento:
Arranque da 2ª bomba:
No arranque, o ponto de funcionamento evolui rapidamente de A para B' e, depois progressivamente, de B' para B,
entretanto, o excesso de caudal debitado pelas bombas
alimenta o depósito enquanto não se atingir a pressão do
ponto de funcionamento. Ou seja a passagem de A para B'
implica um aumento brusco do caudal de funcionamento
das bombas, enquanto que o caudal fornecido à instalação
(consumo) permanece praticamente inalterado, esta diferença vai alimentar o depósito. A ligeira variação entre A e
B' deve-se às perdas de carga no ramal de ligação do depósito.
No exemplo ilustrado pela figura 12, não temos qualquer
sobreposição das zonas de funcionamento, porque o caudal
Qa2 é inferior a Qb1. Um caudal compreendido entre Qa1 e Qb1
não poderá ser obtido com um funcionamento contínuo.
Verifica-se então um funcionamento intermitente entre n
bombas e n+1 bombas. É nesta situação de não sobreposição dos campos de caudais que o depósito se torna
indispensável.
Paragem da 2ª bomba:
Na paragem, o funcionamento do sistema altera-se bruscamente do ponto C para D' e a partir de D' progressivamente
para D, à medida que o depósito se esvazia para atingir a
58
Fig. 12 - Gama de caudal coberta por n bombas
Gama de caudal coberta por n+1 bombas
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
3.3.2.2.1.1 Função do depósito hidropneumático
O depósito hidropneumático tem uma função tripla:
Podemos considerar que o caudal médio corresponde a
metade da gama de caudais abrangida. Sendo assim, o
período de um ciclo é tanto mais curto quanto:
Servir de reserva, absorvendo o excesso de caudal (Qconsumo <
Qbombeado) ou complementado a insuficiência do caudal
bombeado (Qconsumo > Qbombeado), nas zonas em que o caudal
não é garantido pelas bombas;
- a reserva de água for reduzida (um volume total do
depósito reduzido ou um pequeno diferencial entre as
pressões Pmin e Pmáx);
Assegurar a manutenção de pressão na instalação quando
todas as bombas se encontram paradas;
- o caudal absorvido ou fornecido pelo depósito for elevado
(gama vasta de caudais não abrangidos pelo funcionamento das bombas).
Absorver as flutuações bruscas de pressão e de caudal
durante a abertura e o fecho dos equipamentos de consumo (trata-se contudo de uma função secundária que não
justifica por si só a presença do Depósito).
Para se garantir uma pressão de utilização praticamente
constante, é indispensável manter-se um diferencial mínimo
entre as pressões Pmáx e Pmin. Contudo, um reduzido diferencial de pressões Pmin/Pmáx, (fig. 14) apresenta três consequências, cujos efeitos serão:
3.3.2.2.1.2 Períodos de funcionamento
- Maior frequência de arranques;
A duração de um ciclo completo conforme foi descrito anteriormente deverá ser tanto mais importante quanto mais
elevada for a potência dos motores. É importante assegurar-se que não é ultrapassada a frequência horária de
arranques admissíveis, cujo valor diminui à medida que a
potência dos grupos aumenta.
- Redução da gama de caudais coberta pelas bombas e,
portanto, mais probabilidades de ocorrerem situações de
funcionamento intermitente;
- Aumento da gama de caudais não coberta pelas bombas
em funcionamento contínuo. Resultando um aumento do
diferencial médio entre o caudal consumido e o caudal
bombeado. Esta diferença é absorvida pelo depósito,
sendo o esvaziamento e enchimento mais rápidos;
- Diminuição da reserva de água disponível (volume útil) no
depósito devido à redução do diferencial de pressões.
Por outras palavras, obtém-se uma reserva de água no interior do depósito menor, um caudal de enchimento e esvaziamento mais elevado, conduzindo a uma maior frequência
de arranques e paragens. Conclui-se, que não se podem
optimizar simultaneamente os seguintes parâmetros:
- Flutuação da pressão;
- Número de arranques do motor;
- Volume de reserva de água.
Deverá efectuar-se um compromisso entre os três parâmetros.
Fig. 13 - Tempo de duração de um ciclo em função do caudal
A curva 3 da fig. 13 apresenta o tempo de duração de um
ciclo em função do caudal. O caudal crítico Qc, corresponde
ao ciclo de duração mínima e, por conseguinte ao número
máximo de arranques.
Qc =
Q
= Caudal Médio
Qn + Qn +1
2
Fig. 14 - Cobertura dos caudais em funcionamento contínuo
59
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
Podem ser instalados temporizadores com a finalidade de
retardarem a paragem ou o arranque de cada bomba (fig.
15). É uma solução "parcial" na medida em que esta temporização permite que o ponto de funcionamento ultrapasse
os limites da gama de pressão estabelecida (ou seja,
maiores variações de pressão), o que vai ao encontro de
objectivo inicialmente pretendido.
Fig. 17
Através do agrupamento de bombas com diferentes capacidades, é possível obter-se uma melhor cobertura da gama
da caudais (fig. 18 e fig. 19).
Fig. 15 - Influência das temporizações no deslocamento do ponto
de funcionamento
É importante que a altura manométrica total Hmt das
bombas, correspondente ao funcionamento com caudal
nulo não seja demasiado elevada em relação à Pmáx.
A temporização, que impõe um tempo de ciclo mínimo
Tmin, só se encontra activa durante os ciclos mais curtos,
fora deles, não tem qualquer influência (fig. 16).
Fig. 18 - Três bombas principais de 20m3/h e uma bomba auxiliar de
10m3/h
Fig. 19 - Quatro bombas de 20 m3/h
Fig. 16 - Tempo de ciclo
Para se obter uma variação de pressões extremamente
reduzida entre o arranque e a paragem, utilizando bombas
de velocidade fixa, sem ter de se enfrentar o problema de
um número elevado de arranques, será necessário dispor-se
de um grande volume útil. O reservatório de água representado na figura 17 é o exemplo de um reservatório de grande
volume. O custo de investimento não pode ser comparado
ao de uma solução convencional em que já não se fala de
pressurização mas de "distribuição".
60
Três bombas principais dimensionadas para um caudal de
20 m3/h à pressão de 5 bar mais uma bomba de apoio de
10m3/h a 5 bar oferecem uma maior flexibilidade do que
quatro bombas de 20m3/h, (sendo a cobertura de caudais
mais favorável). No entanto, esta opção implica uma
automatização da operação mais sofisticada e há que
tomar em consideração a frequência de arranques da
unidade de apoio. Uma estrutura deste tipo é frequentemente utilizada em instalações de grande dimensão ou em
estações elevatórias.
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
3.3.2.2.1.3 Bomba auxiliar (Jockey)
Trata-se de uma pequena bomba, utilizada para assegurar
a manutenção da pressão da rede em sistemas de pressurização de grande dimensão, quando as bombas principais
estão paradas (fig. 20). A sua função está limitada a satisfazer as necessidades dos períodos de consumo reduzidos,
tais como os devidos às fugas de caudal da instalação.
Deste modo, evita-se a utilização de um depósito de grande
capacidade, dispendioso, bem como os arranques frequentes
das unidades principais. Esta bomba Jockey, pode ser
mantida em funcionamento permanente, ou imobilizada, a
partir do momento em que a primeira bomba entra em
operação. Em determinadas redes de combate a incêndios
ou rega, tais como de campos de golfe, futebol ou hipódromos, a manutenção da pressão é assegurada pela bomba
Jockey evitando a entrada de ar nas tubagens, entre dois
períodos de funcionamento consecutivos. Deste modo,
evitam-se as flutuações bruscas e acentuadas de pressão
devido ao escape de ar nos aspersores e ventosas, que são
prejudiciais às canalizações.
No entanto, é de notar a persistência das flutuações de
pressão, que são tanto mais importantes quanto menor for
o número de bombas em funcionamento (curvas mais inclinadas). Quanto maior o número de bombas em funcionamento paralelo, mais atenuadas são as flutuações de
pressão, ficando reduzida ao mínimo a margem de flutuação de pressão em todo o campo de operação. Observa-se
que o arranque da primeira bomba é efectuado obrigatoriamente por pressão.
Uma regulação debitométrica é, em geral, mais dispendiosa
do que uma regulação manométrica, além de que a respectiva instalação no local é bastante mais delicada. Por este
motivo, utiliza-se este tipo de controlo nas instalações de
maior importância.
3.3.2.3 Número máximo de arranques dos grupos
electrobomba
A frequência máxima de arranques dos grupos electrobomba deve estar limitada de acordo com a tabela abaixo.
Como regra geral, quanto mais potente for o motor menor
deverá ser a frequência de arranques.
Contudo, de acordo com a tabela 1 para bombas e motores
especialmente dimensionados, podem-se adoptar valores
maiores que os anteriormente indicados*.
TABELA 1
Número máximo de arranques por hora de grupos electrobomba
Fig. 20 - Grupo de três bombas + Bomba Jockey
3.3.2.2.2 Regulação debitométrica
Neste tipo de regulação o controlo dos arranques e paragens das bombas é efectuada através de caudais de referência (fig. 21). Podemos, assim, escolher valores adequados
para se obter uma sequência ininterrupta do campo de
funcionamento e, por conseguinte, uma operação contínua
dos grupos, de tal forma que acompanham o consumo.
Potência do motor ( kW )
4
7,5 15
18
20
Número máximo de arranques ( horário)
60
40
30
25
20
Duração do ciclo (segundos)
60” 90” 120” 144” 180”
* Atendendo a que os factores limitativos são os componentes de controlo eléctrico e restantes componentes
mecânicos.
3.3.3 Reservatórios de membrana
3.3.3.1 Introdução
Os reservatórios de membrana, também correntemente denominados depósitos de membrana, utilizados em pequenas
e médias instalações, oferecem a vantagem de não necessitarem de dispositivos de compensação do ar perdido, tal
como nos reservatórios tradicionais, devido à emulsão entre
o ar em contacto directo com a água sobre pressão.
O dimensionamento destes órgãos tem por objectivo a determinação da sua capacidade e o número de unidades a aplicar.
3.3.3.2 Dimensionamento
O cálculo da capacidade útil real de um reservatório (isto é,
o volume de água descarregado pelo reservatório com
bombas paradas) resulta da aplicação da Lei de Boyle
Mariotte para a expansão de gases:
C = Vt
Fig. 21 - Regulação debitométrica
p p − pa
p p + pt
61
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
C - Capacidade útil real (litros)
Vt - Volume total do reservatório (litros)
Pp - Pressão de paragem (bar)
Pa - Pressão de arranque (bar)
Pb - Pressão barométrica (bar)
Para calcular a capacidade útil necessária recorre-se à
expressão:
Cu =
T A(Q − A)
×
60
Q
em que:
T - Duração de um ciclo em segundos;
A - Caudal consumido pela instalação em litros, por minuto;
Q - Caudal bombeado, em litros, por minuto;
Grandezas a considerar:
Cu - Capacidade útil necessária;
Z - Número de arranques por hora da bomba;
Como a frequência máxima de arranques de uma bomba
se verifica quando o consumo é igual a 50% do caudal
bombeado, a capacidade total necessária é de:
Pa - Pressão manométrica de arranque da bomba (bar);
Ct =
T ×Q
240
O número total de reservatórios necessários é de:
N=
Ct
C
3.3.4 Reservatórios hidropneumáticos
3.3.4.1 Dimensionamento
O principio de funcionamento dos reservatórios hidropneumáticos, também se baseia na Lei de Boyle Mariotte, que se
pode enunciar como:
"À mesma temperatura, o volume ocupado por um gás
varia na razão inversa da pressão a que se encontra
submetido".
P V =P V =C
1
1
2
2
te
Na fig. 22 apresenta-se esquematicamente um reservatório
hidropneumático, com a finalidade de representarem as
diversas grandezas em jogo.
62
Fig. 22 - Reservatório hidropneumático
Pp - Pressão manométrica de paragem da bomba (bar);
Vt - Volume total do reservatório (M3)
Vr - Volume residual, é o volume de segurança que está
compreendido entre o nível de água correspondente à
pressão Pa e o fundo do reservatório. Este volume deve
ser da ordem de 20% do volume total, isto é; Vr = 0,2 Vt;
Vp - Volume de ar correspondente à pressão de paragem Pp;
Va - Volume de ar correspondente à pressão de arranque Pa;
Vu - Volume útil de água no reservatório, compreendido
entre os níveis de arranque (Pa) e paragem (Pp). É o volume
de água que é introduzido no reservatório, durante o
período em que a pressão do ar no seu interior aumenta
de Pa até Pp, ou seja, entre o arranque e a paragem da
bomba. Funciona como reserva sempre que houver
consumo com as bombas fora de serviço.
h2 - Altura correspondente a Vr, é o limite de segurança de
utilização de água do reservatório, tem como objectivo
evitar a introdução de ar nas canalizações. Esta altura,
deve ser igual a 2,5 vezes o diâmetro da canalização,
h2 = 2,5d.
Aplicando a Lei de Boyle Mariotte à expansão do volume
de ar entre Pa e Pp vem:
(Pp+1)×Vp = (Pa+1)×Va = (Pa+1)×(Vp+Vu)
De onde resulta, explicitando a equação para Vu:
Vu =
[
]= V × (p
Va × (p p + 1)− (pa + 1)
Pp + 1
a
p
− pa )
Pp + 1
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
Considerando que o volume morto é igual a 20 % do
volume total Va=0,8 Vt, vem:
Vu =
0,8 × Vt × (p p − pa )
Pp + 1
O cálculo do volume total do reservatório é feito através da
aplicação de fórmulas empíricas, deduzidas por diversos
autores como resultado de estudos teórico-experimentais.
Indicam-se seguidamente algumas das mais utilizadas:
a ) Fórmula proposta por Harold Nickels
Exemplo:
Q = 2,5 l/s = 9m³/h
Z = 8 arranques hora
Pp = 4 bar (pressão relativa)
Pa =2 bar (pressão relativa)
Entretanto, com estes valores no gráfico, obtém-se:
Q/Vt =10 ∴ Vt = 9/10 = 0,9 m³
TABELA 2
Pp
Vt = 10×Qmáx.
Em que: Vt = Volume total em litros
Pressão de arranque (bar)
Pa
Pressão de paragem
(bar) (máx.)
1
1,5
2
2,5
2
0,27 0,13
3
0,4 0,3 0,2 0,1
3
3,5
4
Qmáx = Consumo máximo provável do edifício expresso em
litros/minuto.
4
5
0,4 0,33 0,26 0,2 0,13
b ) Fórmula deduzida por Ângelo Gallizio
6
0,4 0,34 0,29 0,23
0,4 0,32 0,24 0,16 0,08
A expressão é aplicável a instalações com compressor
Vt = 30 ×
Q pp +1
×
z p p − pa
Q - descarga correspondente ao consumo máximo da rede,
em litros por minuto;
Z - Número máximo admissível de arranques horários.
c) Pela fórmula da Grundfos
Vtotal = 16,25 x Qm x (Pmín.+1) x (Pmáx+1)
S
∆P
Pc+1
Vtotal = volume total do depósito em litros
S = número máximo de arranques por hora, dependente da
potência e fabricante do motor eléctrico
Qm = caudal médio de uma bomba em l (min)
Pmáx = pressão de paragem
Pmín = pressão de arranque
∆P = Pmáx - Pmin.
Pc = Pressão de ar no depósito de membrana; Pc = Pmin-0,5
d) Fórmula proposta pela norma brasileira NB-92
A norma brasileira utiliza um ábaco reproduzido na fig. 23,
entrando com o número de arranque por hora e com os
valores das pressões relativas de arranque e paragem
obtém-se a relação entre o caudal da bomba m3/h e o
volume total do reservatório Vt, determina-se na tabela 2 a
relação entre o volume útil Vu e o total Vt em função das
pressões de arranque e paragem.
Fig. 23 - Volume total do reservatório hidropneumático (Vt) em
função do caudal (Q)
e) Fórmula de Valibouse
V0 =
T
×k
HM − Hm 4
×
H M + H b Qm
(litros )
63
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
T - Tempo de duração de um ciclo (minutos);
HM - Pressão máxima de paragem em bar;
Hm - Pressão mínima de arranque em bar;
Ha - Pressão atmosférica
T - Tempo mínimo entre dois arranques da mesma bomba
K - Coeficiente de segurança (K=1,2 em geral);
Qm - Caudal médio (litros/minuto)
f ) Cálculo considerado uma pré-compressão arbitrária
Vu = 1,25 ×
Vt = Vu ×
Fig. 25 - Bomba a aspirar da rede com reservatório de compensação
Na figura 25, mostra-se um reservatório intercalado entre
a rede exterior e os grupos de bombeamento, é uma disposição em que se aproveita também a pressão da rede, com
a vantagem de não se provocar uma descida apreciável da
pressão de aspiração durante o arranque das bombas.
T × Qm
4
(p a + 1)× (p p + 1)
(pi + 1)× (p p − p a )
Pi - Pressão inicial de pré-compressão (bar);
T - Tempo mínimo entre dois arranques consecutivos da
mesma bomba.
O exame da fórmula diz-nos que o volume Vt do reservatório é proporcional às pressões de arranque e paragem.
Há todo o interesse em pré-comprimir o reservatório a uma
pressão vizinha da pressão de arranque Pa e adoptar um
diferencial de pressão Pp-Pa tão alto quanto possível.
Fig. 26 - Bomba a aspirar do tanque de armazenamento
O arranjo da fig. 26 tem como principais vantagens uma
separação hidráulica entre a rede exterior e a do edifício, e
a garantia de uma reserva de água durante as interrupções
do consumo.
3.3.5 Exemplos de situações-tipo
A concepção de um sistema de elevação de pressão deve
ajustar-se em cada caso, às exigências (quantitativas e
qualitativas) dos diversos consumidores e aos condicionalismos próprios da instalação e da rede exterior.
Por se considerar do maior interesse prático e sem a preocupação de ser exaustivo, caracterizam-se algumas situações-tipo documentadas com figuras.
Fig. 24 - Bomba a aspirar directamente da rede
Na fig. 24, apresenta-se um esquema com bomba a aspirar
directamente da rede; é uma solução utilizada sempre que
a pressão disponível na rede exterior é apreciável.
64
Fig. 27 - Instalação doméstica rural
A fig. 27 representa uma instalação doméstica típica em
meios rurais com utilização de captação própria.
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
Na concepção e dimensionamento destes sistemas põe-se
com particular acuidade os aspectos que a seguir se referem
e cujas razões justificativas decorrem do texto que se segue:
• segurança em serviço;
• minimização da potência perdida para economia de energia;
• garantia de funcionamento nos períodos de caudal
reduzido;
• conforto de utilização com uma pressão de utilização
praticamente constante.
Fig. 28 - Instalação em "by-pass"
A instalação da fig. 28 aplica-se em edifícios situados em
locais em que a pressão da rede exterior sofre grandes variações
diárias, funcionando a instalação apenas nos períodos em
que a piezométrica não é suficiente para alimentar todos os
pisos em perfeitas condições.
3.3.6 Características das centrais
hidropneumáticas
As instalações hidropneumáticas apresentam as seguintes
características:
No estudo de um sistema por bombeamento directo deve
começar por traçar a curva característica da rede. A curva é
traçada em função de um ponto de referência R, arbitrado
de tal modo que para qualquer valor de caudal, se assegura
uma pressão compatível com o bom funcionamento de
toda a rede do edifício. Normalmente a curva característica
das redes dos edifícios têm um andamento parabólico. Esta
não é a curva real fixada pelas características das canalizações e aparelhos de consumo, mas sim, uma curva "ideal"
que se pretende satisfazer.
Na fig. 29, representam-se as curvas características de uma
rede e de uma bomba.
O ponto de funcionamento é descrito pela curva C2, correspondente à variação de consumo ao longo do dia, como se
sabe, essa variação é normalmente apreciável.
Suponha-se que o consumo se estabiliza no valor q correspondente ao ponto M de funcionamento da bomba (q, h).
Observa-se que a bomba debita o caudal q a uma pressão
mais elevada dissipando em perdas uma potência que pode
ser considerável e cujo valor relativo é apresentado pela
razão dos segmentos MB/MA
- Custos iniciais reduzidos comparados com outros sistemas;
- Simplicidade de operação e manutenção;
- Ocupação de um espaço reduzido;
- Flexibilidade para acréscimo da capacidade resultante de
um aumento de consumo.
3.4 Sistemas por bombeamento directo
3.4.1 Constituição e princípio de funcionamento
Os sistemas por bombeamento directo caracterizam-se pela
existência de uma ou mais bombas a operarem em paralelo,
a aspirarem directamente da rede exterior ou de um reservatório, sendo a descarga directa à rede.
Fig. 29 - Ponto de referência R
Nem sempre a zona de melhor rendimento da bomba
corresponde a um bom rendimento da instalação.
65
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
3.4.3 Sistemas com bombas de velocidade
variável
3.4.3.1 Modo de funcionamento
Nos sistemas com bombas de velocidade variável, a pressão
é mantida constante, independentemente do consumo da
rede. As variações da pressão de descarga das bombas
provocadas quer por alteração da pressão de aspiração,
quer por variação do consumo, são detectadas por um sensor que actua no variador de velocidade de forma a manter
a pressão de bombeamento constante.
Po - Curva de potência teórica necessária para garantir
no ponto R o caudal Q à pressão H0;
RS- Potência teórica necessária para fornecer o caudal q;
QR - Potência perdida devido ao rendimento do motor e
das bombas;
PQ - Potência dissipada inutilmente;
P - Ponto de funcionamento da bomba instalada.
Fig. 30 - Curva de potência
Na fig. 30 o rendimento da dissipação é dado por RS/PS
Resulta assim que, sempre que uma estação eleva directamente para a rede é importante minimizar a potência
perdida o que pode ser conseguido adequando quer o
número de bombas quer a sua velocidade.
3.4.3.2 Variação das curvas características
O andamento da curva característica de uma bomba varia
com a sua velocidade de rotação de acordo com as
expressões:
Q2 N2
=
Q1 N 1
e
H2  N2
=
H1  N 1



2
N
P
∴ 2 =  2
P1  N1



3
Na figura 31, mostram-se várias curvas características de
uma bomba com diferentes velocidades de rotação, como
se pode observar, o rendimento praticamente não varia
com a velocidade, por exemplo, para uma pressão constante de 7,5 bar e uma variação de caudal entre 500 e 1000
m3/h corresponde uma variação do rendimento máximo
compreendido entre 70 e 80 %.
rpm
rpm
Por outro lado, para os menores consumos correspondentes
às horas mortas, é necessário dotar a instalação quer de
válvulas reguladas para evitar que a pressão ultrapasse
valores indesejáveis na rede, quer com um pequeno reservatório hidropneumático.
rpm
rpm
rpm
rpm
3.4.2 Bombas de velocidade fixa
rpm
3.4.2.1 Modo de funcionamento
Nos sistemas de velocidade fixa a pressão de descarga nas
redes é mantida aproximadamente constante, através
da activação e paragem das bombas em consonância com
as necessidades do consumo. Estas centrais fazem a alternância automática do funcionamento das bombas, em
função do caudal, do tempo de funcionamento e das
anomalias.
Em certas centrais uma das bombas é dimensionada para
as horas de menor consumo, com a finalidade de se poupar
energia nestes períodos. Esta bomba tem geralmente 50%
da capacidade das bombas principais.
66
Fig. 31 - Curvas características de uma bomba a diferentes velocidades
3.4.3.3 Selecção das bombas
Com as curvas características extremas da rede e os valores
do consumo máximo e mínimo (fig.32) determinam-se as
alturas manométricas máxima e mínima das bombas:
• A altura máxima H1 relativa ao consumo máximo da rede
com a pressão mínima da aspiração;
• A altura mínima H2 relativa ao consumo mínimo da rede
com a pressão máxima da aspiração.
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
A pressão a ser mantida na conduta de compressão é assim:
Para o efeito, diversas situações são praticáveis tais como:
Pdescarga= H1+H aspiração mínima = H2 +H asp. máxima
- Conjugar várias bombas de velocidade fixa com uma ou
duas de velocidade variável que servirão para ajustar o
ponto de funcionamento da instalação às exigências de
caudal e pressão da rede;
pois a
Pdiferencial = Pdescarga Haspiração
- Instalar todas as bombas com velocidade variável, rodando
sempre sincronizadamente.
- As bombas com velocidade variável têm um limite mínimo
de velocidade abaixo da qual não produzem caudal à
pressão pretendida.
3.4.3.4 Regulação manométrica
Fig. 32 - Determinação das alturas manométricas máximas e mínimas
Na fig. 32, onde as pressões H1 e H2 são diferenciais, a
manutenção da pressão da descarga traduz-se por rectas
horizontais por C e por E e uma infinidade de, outras
compreendidas entre essas, para situações intermédias.
Neste caso, já não se verificam as limitações relacionadas
com os diferenciais entre a pressão mínima e máxima como
na regulação por pressóstato A regulação manométrica
é efectuada em permanência quaisquer que sejam as
aberturas e fechos de válvulas. Nestes casos, usa-se um
transdutor de pressão para efectuar a medição analógica
da pressão em substituição dos pressóstatos (fig. 34).
Controlador
Os pontos C e F (fig. 32) são os pontos críticos de operação
das bombas, o que pode traduzir-se no seguinte:
Controlador
- Com todas as bombas em funcionamento na rotação
máxima, as bombas deverão debitar o caudal Qmáx à
pressão H1 (ponto C);
- Com apenas uma bomba em operação à pressão mínima, a
bomba deverá recalcar o caudal Qmin à pressão H2 (ponto F).
Como as bombas operam a maior parte do tempo com
valores médios de caudal e pressão de aspiração, o ponto de
funcionamento com o caudal máximo de cada bomba (Qmáx)
e altura manométrica máxima (H1) deverá situar-se à direita
da zona de maior rendimento (fig. 33).
Fig. 34
O transdutor de pressão emite um sinal de 0-20mA,
4-20mA ou 0-10V, proporcional à pressão medida. Existe
um controlador que compara o sinal medido, com o valor
ajustado, que foi pré-programado, por sua vez, este irá
controlar o variador de frequência da seguinte maneira:
- Se Pmedido < Pajustado é emitida ordem de aceleração.
- Se Pmedido > Pajustado é emitida ordem de desaceleração.
- Se Pmedida = Pserviço a velocidade mantém-se constante.
Fig. 33 - Zona de funcionamento das bombas
Independentemente do caudal requerido, a instalação
funciona de modo a manter a pressão constante. A pressão
de serviço pode ser materializada no controlador por uma
recta horizontal ao longo da qual se desloca o ponto de
funcionamento da instalação (fig. 35).
67
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
Bomba 1
Variação de velocidade
Aumento do consumo
Aceleração da bomba 1
Bomba 1 à velocidade máxima
Pmedida < Pajustada
Fig. 35 - Regulação manométrica, princípio de deslocamento do
ponto de funcionamento
No instante t, as torneiras fecham-se, o consumo diminui e
a característica da instalação vai de R para R'. O ponto de
funcionamento altera-se de M para M1. logo:
PM1 > Pajustada significa desaceleração até que Pmedida = Pajustada
Arranque da bomba 2 de velocidade fixa
A velocidade da bomba 1 diminui e ajusta-se até
Pmedida = Pajustada
A velocidade de rotação da bomba diminui e a curva de
funcionamento das bombas passa a ser P' e o ponto M1
desloca-se para M2.
Se o consumo aumentar (fig. 36), a curva da rede R altera-se
para R' e o ponto de funcionamento evolui de M passa
para M1.
Fig. 36
Se a velocidade da bomba em variação atingir o valor
mínimo ou máximo, arranca ou pára uma das bombas de
velocidade fixa. O que se descreveu pode representar-se
no esquema ao lado.
Bomba 1 VV + Bomba 2 VF
Pmedida = Pajustada
Considerando que a reacção do sistema é rápida, o ponto de
funcionamento desloca-se numa linha horizontal (pressão
ajustada para serviço (fig. 37).
Fig. 37
Na prática, acelera-se a bomba de velocidade variável até
se verificar um ligeiro excesso de velocidade da ordem
de 52 a 55 Hz, a que corresponde um ligeiro aumento de
caudal. Com efeito, se a bomba de velocidade variável for
alimentada a 50 Hz no máximo, obter-se-á, independentemente do número de bombas em funcionamento:
Qmáx n Bombas = Qmin n+1 bombas
68
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
Poderá ser obtido um caudal compreendido entre Q1 e Q'1
quer com uma ou duas bombas em funcionamento.
Se optarmos por esta solução em que se admite um acréscimo
da velocidade da bomba, deve calcular-se a potência
absorvida ao seu veio, para evitar uma sobrecarga no
motor, por exemplo; 10 % de velocidade em excesso, representa cerca de 33% de potência suplementar.
Q1 = Caudal máximo de 1 bomba com Velocidade
Variável
Q'1 = Caudal mínimo com 2 bombas (1 com Velocidade
Variável + 1 com Velocidade Fixa)
Q2 = Caudal máximo com 2 bombas (1 com Velocidade
Variável + 1 com Velocidade Fixa)
Q'2 = Caudal mínimo com 3 bombas (1 com Velocidade
Variável + 2 com Velocidade Fixa)
Fig. 38 - Campo de variação de caudal com 3 bombas Qmáx n = Q min n+1
Se o caudal consumido variar ligeiramente em torno de Q1
ou de Q2, em cada transposição destes valores, acontece o
arranque ou a paragem de uma bomba de velocidade fixa,
e daí o risco do número máximo de arranques ser excedido.
Se alimentarmos a Bomba de Velocidade Variável, com uma
frequência de 53 ou 54 Hz, verifica-se:
Qmáx n Bombas > Qmin n+1 bombas
As principais vantagens relacionadas com a utilização da
variação de velocidade em sistemas de pressurização são:
- Pode satisfazer-se um consumo aleatório, compreendido
entre 0 e Qmáx, através da variação da velocidade de uma
das bombas, associada ao número de bombas, assim
como um funcionamento contínuo, sem arranques ou
paragens, enquanto não se verificarem alterações de
caudal.
- Esta regulação garante uma pressão perfeitamente
constante, independentemente do caudal, dentro do
tempo de funcionamento admissível.
- Sendo assegurada a cobertura de todos os caudais, o
depósito hidropneumático poderá ser de dimensões
reduzidas.
Enquanto que, com uma instalação de velocidade fixa,
controlaríamos apenas um parâmetro a pressão ou o caudal,
na variação de velocidade controlamos ambos, o que oferece
uma solução adequada para os seguintes problemas:
• Cobertura constante de todos os caudais;
• Volume do depósito hidropneumático reduzido;
• Número de arranques dos motores das bombas;
• Pressão constante;
• Economia energética.
Q’ = Caudal máximo de 1 bomba com Velocidade
Variável (55Hz)
Q1 = Caudal mínimo com 2 bombas (1 com Velocidade
Variável + 1 com Velocidade Fixa)
Q'2 = Caudal máximo com 2 bombas (1 com Velocidade
Variável 1 com Velocidade Fixa 55Hz)
Q2 = Caudal mínimo com 3 bombas (1 com Velocidade
Variável + 2 com Velocidade Fixa)
Q3 = Caudal máximo de 3 bombas (1 com Velocidade
Variável + 2 com Velocidade Fixa 55Hz)
Fig. 39 - Campo de variação de caudal só com 3 bombas, com
acréscimo de rotação Qmáx n > Qmin n+1
Na realidade, as centrais hidropneumáticas de velocidade
variável encontram-se frequentemente equipadas com um
depósito de volume reduzido, embora este acessório seja
dispensável, a sua inserção tem como vantagens, assegurar
a manutenção da pressão na instalação quando todas as
bombas se encontram paradas e absorver as variações
de pressão gerada em regime transitório, correspondente
à manobra dos órgãos da rede e assegurar os consumos
reduzidos.
Evita-se o funcionamento contínuo com uma bomba à
velocidade mínima, quando o consumo tende para zero,
introduzindo um sistema de paragem debitométrica da
bomba de velocidade variável, não sendo necessário manter-se o seu funcionamento prolongado em condições pouco
próprias, para se garantir a pressão do sistema.
Observa-se que se a instalação compreender bombas de
grandes dimensões e for necessário garantir-se um caudal
mínimo sem vibrações dos grupos, o valor admissível para
69
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
uma bomba à velocidade mínima Nmin determina-se facilmente, com base no caudal mínimo admissível à velocidade
nominal N pela expressão:
Q mínimo reduzido = Q min x N mínimo
Nnominal
Este caudal mínimo reduzido, serve para o dimensionamento
do volume útil do depósito. Para o efeito considera-se como
caudal crítico:
Q c = Q mínimo reduzido
2
Fig. 41
Soluções a considerar:
i) Deslocamento do transdutor de pressão
3.4.3.5 Regulação manométrica compensada
A pressão já não é medida à saída do grupo sobrepressor,
mas sim no local de consumo (fig. 42).
Este tipo de regulação, também apelidado de manodebitométrico, tem como objectivo compensar o efeito das perdas
de carga na rede de distribuição.
O respeito da igualdade "Pmedida = Pajustada" assegura uma
pressão constante no ponto de consumo.
PROBLEMA
Com uma regulação manométrica clássica, a pressão é
mantida constante no local A independentemente do
caudal, a pressão em A não é igual em B, devido às perdas
de carga no troço compreendido entre A e B, cujo valor varia
com o quadrado do caudal.
A pressão em B, é igual a PA - ∆hAB (figura 40). Tem de se
considerar o desnível geométrico entre A e B,
Fig. 42
Esta solução é interessante mas comporta determinados
limites técnicos e económicos. A dificuldade da solução,
reside no transporte do sinal, devido ao:
â Custo do cabo;
â Passagem do cabo;
â Transmissão de um sinal de 4 - 20mA
Pode encontrar-se esta solução, em certas redes urbanas de
distribuição de água, onde são instalados captores de
pressão nos pontos mais nevrálgicos da rede.
ii) Compensação das perdas de cargas
Fig. 40 - Perdas de carga antes da distribuição
A pressão em B, denominada "pressão disponível", é igual à
pressão em A menos as perdas de carga (PA-∆h) (fig.43).
Deve-se considerar o desnível geométrico, mas este tem
um valor constante e é independente do caudal. Este tipo
de regulação não permite, assegurar aos utilizadores uma
pressão constante no ponto de consumo, apesar de existir
um sistema de variação de velocidade.
70
As perdas de carga são integradas no algoritmo de controlo
a fim de se obter uma pressão constante no utilizador
mais desfavorável. É o princípio da regulação manométrica
compensada. Apenas uma pressão de controlo ajustada à
curva de perda de carga, (curva parabólica) permite obter
uma pressão no utilizador perfeitamente constante, mas
para tal, a regulação manométrica, será efectuada, através
de um sistema de controlo complexo e, consequentemente
dispendioso.
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
A - A pressão de serviço P = f (Q)
A pressão de serviço já não é um valor constante, mas sim
variável em função do caudal. O controlador apropriado é,
sofisticado (fig. 43).
A medição do caudal será efectuada por um caudalímetro
electromagnético, que é dispendioso, este operará em associação com o reservatório hidropneumático. Esta solução
que engloba um controlador sofisticado e um caudalímetro, é dispendiosa, mas, em contrapartida, assegura
uma pressão constante nos utilizadores, no caso em que
ocorrem perdas de carga na aspiração. No entanto, não
oferece qualquer solução para os problemas colocados
pelas perdas de carga na tubagem de distribuição.
Por exemplo, num edifício onde existem perdas de carga
importantes na coluna de distribuição, entre A e B (fig. 46),
poderão surgir os seguintes problemas:
• Se a pressão for mantida constante em A, nos pisos superiores (em B) os utilizadores irão sofrer flutuações de
pressão devido às variações das perdas de carga.
Fig. 43
Pode recorrer-se a uma compensação dita linear, o que constitui uma abordagem interessante, sendo contudo ideal
uma compensação parabólica, que forneça uma pressão de
serviço perfeitamente coincidente com a curva de perdas
de carga (fig. 44). Em função do equipamento disponível, a
pressão de serviço ou é programada, ponto por ponto, ou
segundo uma equação matemática correspondente.
• Se compensarmos as perdas de carga na coluna AB, pode
eventualmente assegurar-se uma pressão constante em
B, independentemente do caudal, mas o mesmo não se
verificará nos pisos inferiores. Em que nas horas em que
o consumo é elevado, estes pisos sofrem um acréscimo
de pressão de modo a compensar as perdas de carga
entre A e B.
Fig. 46
B- A medição da pressão é insuficiente
Somos igualmente confrontados com este problema nos
repuxos de água das fontes públicas. Para se obterem
jactos com a mesma altura, é necessário garantir a mesma
pressão em cada tubeira e, para tal, as perdas de carga nas
condutas de alimentação, deverão ser desprezáveis.
Com efeito, de acordo com o caudal de consumo, uma dada
pressão de serviço poderá ser considerada excessiva,
correcta ou insuficiente. É portanto, necessário haver
medição do caudal (fig. 45).
Por conseguinte, conclui-se que um dispositivo de regulação, por mais sofisticado que seja, não permite manter
uma pressão constante em todos os pontos de uma rede,
em que ocorrem perdas de carga elevadas.
Fig. 44
É importante ter presente as limitações de cada sistema a
fim de se evitarem erros e desilusões.
Medição
do
caudal
Determinação da pressão de
ajuste em função do caudal
Valor do
ajuste de
pressão
Medição
da
pressão
Desvio da medição com o
valor ajustado
Comando
Fig. 45
71
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
C - Determinação do ponto de ajuste
3.5.1.1 Cálculo do caudal a partir de diagramas
A determinação da relação perda de carga/caudal não é um
processo complicado de se obter. Sabe-se que as perdas de
carga quer sejam lineares ou singulares, são proporcionais
ao quadrado do caudal:
Este método é utilizado sempre que os dados relativos ao
projecto são bastante limitados. O seu grau de precisão
poderá ser considerado satisfatório. Os caudais indicados
no diagrama são valores máximos (fig. 48).
∆h = K x Q2
Assim, para se calcularem as perdas de cargas procede-se
de uma das seguintes formas:
- Calculam-se as perdas de carga correspondentes a um
dado caudal, com a ajuda de ábacos ou de tabelas. Este
processo utiliza-se no desenvolvimento de um projecto
para uma nova instalação.
- Mede-se o caudal e a pressão no próprio local, no caso de
uma instalação já existente.
Fig. 48
3.5.1.2 Cálculo do caudal em função do número de
pontos de consumo
Fig. 47
3.5 Dimensionamento e selecção
À semelhança da selecção de uma bomba, a selecção de
uma central hidropneumática assenta em duas grandezas
fundamentais, o caudal e a altura manométrica.
Os fabricantes de centrais hidropneumáticas, nas informações técnicas que publicam, desenvolvem métodos de
dimensionamento que em geral são sensivelmente iguais
entre si, e aplicam-se a qualquer tipo de redes, interior, rega,
industrial e de distribuição pública.
3.5.1 Determinação do caudal máximo
Não é muito fácil determinar o caudal exacto de uma instalação, porque os consumos de água flutuam em função da
hora do dia e do tipo de ocupação do edifício em questão.
São vários os métodos disponíveis para a sua quantificação,
a experiência tem demonstrado que eles fornecem resultados satisfatórios, bastante aproximados à realidade.
72
Se o número de pontos de consumo for conhecido, é possível
determinar, de uma forma rigorosa, o caudal máximo da
instalação. Par tal, deve considerar-se o caudal consumido
em cada ponto de utilização. Ao caudal total assim obtido
aplica-se um coeficiente de simultaneidade, visto que, os n
pontos de consumo de água de um edifício nunca serão
utilizados ao mesmo tempo.
Tabela de Caudais normais das utilizações segundo NFP41-204
Designação
Caudal normal l/s
Lava-louça
0,200
Lavatório
0,100
Lavatório colectivo (por jacto)
0,050
Bidé
0,100
Banheira com serviço de água quente
0,350
Banheira com cilindro de água quente
0,350
Banheira com esquentador
0,250
Chuveiro (água fria ou misturada)
0,250
Sanita com autoclismo
0,100
Sanita com válvula de descarga
1,500
Urinol com autoclismo automático, no local
0,005
Urinol com torneira individual
0,100
Boca de rega de 20 mm
0,700
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
Torneiras a descarregar nas habitações
Número de torneiras instaladas
Em funcionamento simultâneo
1a3
1
3 a 10
2
11 a 20
3
21 a 50
4
mais de 50
5
1º método
Leitura directa do ábaco
70 habitações ⇒ 18m3/h
2º método
Considerando o número de pontos de consumo de água
70 banheiras x 2 torneiras . . . . . . . . . 140 x 0,35 l/s = 49 l/s
70 lavatórios x 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 x 0,10 l/s = 14 l/s
Pressão disponível necessária à entrada das torneiras de
descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,5 bar
Para válvulas de descarga de urinol . . . . . . . . . . . . . . 1,0 bar
Sabe-se que o caudal instantâneo, é dado por:
Qreal instantâneo = Qcalculado x K, em que K, é o coeficiente de simultaneidade obtido:
K=
1
n −1
sendo n o número de torneiras. As torneiras de descarga
funcionam apenas durante segundos, mas normalmente,
não funcionam em simultaneidade com os outros aparelhos
(ver tabela).
É de notar, que a fórmula apresentada para a determinação
do coeficiente de simultaneidade só é válida para habitações.
No caso de hospitais, hotéis, ginásios, escolas, quartéis,
centros férias, impõe-se um estudo para cada instalação
específica.
Por exemplo, para um hotel, podemos adoptar como base
de cálculo 300 litros por dia e por quarto, repartidos por
3 horas de consumo (ou seja 100l/h de caudal instantâneo
por quarto).
70 bidés x 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 x 0,10 l/s = 14l/s
70 lava-louças x 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 x 0,20 l/s = 28l/s
70 torneiras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70 x 0,10l/s = 7 l/s
Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
630 torneiras 112 l/s
Coeficiente de simultaneidade . . . k = 1
630 − 1 = 0,03987
Caudal de dimensionamento do edifício é:
QD= 112 x 0,03987 = 4,46 l/s = 16 m3/h
No caso de habitações equipadas com válvulas de descarga,
estas deverão ser calculadas à parte, o respectivo coeficiente de simultaneidade é diferente.
Apresenta-se abaixo o quadro para estabelecimento dos
caudais instantâneos segundo o decreto lei nº 23/95
Caudais Instantâneos
Dispositivos de utilização
Caudais mínimos (l/s)
Lavatório individual
0,10
Lavatório colectivo (por bica)
0,5
Bidé
0,10
Nos centros de férias, ginásios ou parques de campismo,
deveremos tomar em consideração a utilização simultânea
de todos os chuveiros. Não existe uma regra universal e
cada projectista basear-se-á na sua própria experiência.
Banheira
0,25
Chuveiro individual
0,15
Pia de despejo com torneira de ∅ 15 mm
0,15
Autoclismo de bacia de retrete
0,10
Exemplo
Urinol com torneira individual
0,15
Pia lava-louça
0,20
Bebedouro
0,10
Máquina de lavar louça
0,15
1 banheira
Máquina de lavar roupa
0,20
n
1 lavatório
Tanque de lavar roupa
0,20
Bacia de retrete com fluxómetro
0,15
n
1 bidé
Urinol com fluxómetro
0,50
n
1 lava-louças
Boca de rega ou lavagem de ∅ 15 mm
0,30
Boca de rega ou lavagem de ∅ 20 mm
0,45
n
1 sanita com autoclismo
n
torneiras
Edifício de grandes dimensões com 70 habitações, compreendendo cada uma:
n
Em conformidade com as
Máquinas industriais e outros aparelhos
instruções do fabricante
73
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
3.5.2.1.1 Altura geométrica
Desnível geométrico entre o nível da bomba e do ponto de
consumo mais elevado. Um valor utilizado na prática é de
3 m por piso a vencer, ou seja, a altura média de cada andar
nos edifícios recentes. No caso de prédios muito altos ou
de edifícios antigos, deve ser determinada a sua dimensão
exacta.
3.5.2.1.2 Perda de carga
Como valor expedito, pode considerar-se cerca de 10 % da
altura geométrica.
Para a sua determinação rigorosa, deverá ser realizado o
cálculo das perdas de carga nos diferentes troços da coluna
com base em equações apropriadas, ou ábacos de perdas de
carga. À perda de carga contínua, deverão ser adicionadas
as perdas nas singularidades tais como curvas, válvulas, etc.
Fig. 49 - Caudais de cálculo em função dos caudais acumulados
Quadro - Número de fluxómetros em utilização simultânea
Número de fluxómetros
Instalados
Em utilização simultânea
4 a 12
2
13 a 24
3
+ de 24
4
3.5.2.1.3 Pressão disponível
É a pressão mínima que deverá estar disponível no dispositivo mais elevado ou no ponto mais desfavorável. Deve ser
da ordem de 1,5 bar em locais de habitação.
Exemplo prático
Tomando como exemplo, um edifício de 10 andares,
teríamos:
Hg = 30 m (10x3 m)
Pd = 15 mca
3.5.2 Determinação da pressão
∆h = 3 mca ( 10 % de Hg)
A altura manométrica total determina-se por:
Logo, será necessário prever uma pressão de descarga de:
(Hmt=PDesc - Pasp)
Pdesc = 30 + 15 + 3 = 48 mca = 4,8 bar
3.5.2.1 Pressão de descarga
3.5.2.1.4 Pressão de aspiração
Serve para:
â Vencer a altura geométrica de descarga Hg
â Compensar as perdas de carga na rede ∆h
Depende do tipo de ligação existente.
â Assegurar a pressão de funcionamento dos aparelhos de
consumo (pressão de utilização ou pressão disponível) Pd
a) Ligação à rede de abastecimento municipal (figura 51)
Pdesc = Hg + ∆h + Pd
Hg
Fig. 51 - Ligação à rede de abastecimento municipal
Pasp = Prede - ∆hasp - Hasp
Fig. 50 - É mantida uma pressão mínima de funcionamento dos
aparelhos de 15 mca na torneira mais desfavorável sob o
ponto de vista de elevação.
74
∆hasp - Perda da carga entre a rede de abastecimento municipal e a boca de entrada das bombas
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
Prede- Pressão mínima na rede de abastecimento de água
Hasp - Desnível geométrico da bomba em relação à rede
(sinal +, se a bomba estiver instalada abaixo da rede
de abastecimento, sinal - no caso contrário)
Constata-se frequentemente que a pressão de aspiração é
da mesma ordem de grandeza da pressão na rede. Por
exemplo:
Prede = 2 bar;
Hasp = 1 m (bomba instalada 1 m acima do nível da rede);
∆hasp = 1 mca;
Logo, Pasp = 20 - 1 - 1 = 18 mca
3.5.3 Regulação das pressões de arranque
e paragem
A diferença entre a pressão máxima (pressão de paragem
da bomba) e a pressão mínima (pressão de arranque) é em
geral regulada com um valor compreendido entre 0,3 a 1
bar. No caso de bombas com curvas planas não deverá ser
ultrapassado 0,3 bar, porque é difícil de estabelecer um ∆P
de 1 bar entre a pressão mínima (Pmin) e a pressão máxima
(Pmáx) numa curva QH muito plana.
No caso das bombas de velocidade variável este problema
não se coloca devido ao seu tipo de controlo, conforme
descrito anteriormente.
subtraindo à pressão de descarga calculada, temos:
Hmt = 48 - 18 = 30 mca.
Conclui-se que a central hidropneumática deverá vencer
uma altura manométrica Hmt de 30 mca
b) Ligação através de tanque
Fig. 52 - Central em carga (Aspiração Positiva)
No caso da central funcionar com aspiração negativa, cada
bomba deverá possuir a sua própria tubagem de aspiração,
excepto se a instalação estiver equipada com um colector
de aspiração especialmente estudado para o efeito.
Exemplo (com Pdesc = 48 mca. calculado previamente)
Caso 1. Aspiração em carga (positiva)
∆Hasp = + 2 mca.
∆hasp = 0,5 mca.
Pasp = 2-0,5 =1,5 mca.
Hmt = Pdesc- Pasp= 48 - 1,5 = 46,5 mca
Caso 2. Aspiração negativa
∆Hasp = -1,5 m
∆hasp = 0,5 mca.
Pasp = -1,5 - 0,5 = - 2 mca.
Hmt = Pdesc - Pasp = 48 - ( - 2 )= 50 mca.
75
Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável
3.6 Referências bibliográficas
AGHTM - Association Génerale des Hygiénistes et
Techniques, Les Stations de Pompage d'Eau
M. J. Prossen, The Hydraulic Design of pumps sumps and
Intakes
MACINTYRE, Archibald Joseph, Bombas e Instalações de
Bombeamento
MACINTYRE, Archibald Joseph, Instalações Hidráulicas
Office International de l'Eau, Les Cahiers Techniques Nr. 17
- La Surpression - Principe, Applications, Dimensionnement,
1995
76
Critérios de Selecção e Análise de Sistemas Simples em Regime Transitório
4. CRITÉRIOS DE SELECÇÃO E ANÁLISE DE SISTEMAS
SIMPLES EM REGIME TRANSITÓRIO
Autor: Eduardo Nunes
Director de Projectos da Profluidos
Professor Adjunto Equiparado do Dept. de Eng.ª Mecânica
(DEM) do ISEL
77
78
Critérios de Selecção e Análise de Sistemas Simples em Regime Transitório
4.1 Introdução
O comportamento das condutas elevatórias, grupos electrobomba e dispositivos de protecção em regime transitório, pode ser analisado por cálculo automático utilizando
o método das características.
A aplicação do método, obriga a que se disponha da
seguinte informação:
– Perfil do sistema de condutas;
– Diâmetro das condutas e respectivo material;
– Caudal e pressão de funcionamento;
– Limites de funcionamento admissíveis;
– Integração noutros sistemas;
– Outras particularidades do sistema em análise;
O perfil da conduta elevatória permite-nos visualizar o seu
desenvolvimento, identificar os pontos críticos e os locais
apropriados para instalação dos equipamentos de protecção.
As linhas piezométricas de funcionamento em condições
estacionárias poderão ser representadas, de forma a determinar-se facilmente a pressão de operação em cada ponto
da conduta.
Com base nas condições de funcionamento do sistema
e das falhas esperadas, paragem e arranque de grupos
electrobomba, fecho de válvulas, variações de velocidade
de escoamento, etc. Calculam-se as depressões e sobrepressões que ocorrerão em regime transitório, e traçam-se
as respectivas envolventes no perfil da conduta de forma
a determinarem-se os pontos em que ocorrem pressões
inferiores à pressão de vapor, com consequente separação
das colunas de líquido ou pressões excessivas, superiores à
pressão admissível para o material das condutas.
O programa de cálculo do regime transitório em condutas
complexas para bombas CR, calcula para pequenos intervalos
de tempo e num grande número de pontos ao longo do
sistema, o valor da pressão, a velocidade de escoamento,
níveis de água, volumes aspirados e descarregados de reservatórios, tempos de paragem de grupos electrobomba,
comportamento das condutas durante a paragem e
arranque dos grupos electrobomba com arrancadores
suaves, durante manobras de válvulas, etc.
Isto permite-nos seleccionar os métodos de protecção mais
adequados e assumir dimensões para início de cálculo. O
cálculo é realizado por tentativas, com determinação das
pressões extremas ao longo da conduta até se encontrarem
valores aceitáveis e seguros.
Fig. 1 - Fluxograma de cálculo
Observa-se que o sistema deverá ser testado depois de
implementado, uma vez que os cálculos se baseiam em
modelos matemáticos, que como não podem deixar de ser,
têm sempre um grau de hipóteses simplificativas.
79
Critérios de Selecção e Análise de Sistemas Simples em Regime Transitório
4.2 Modelo de cálculo
O modelo de cálculo desenvolvido pelo método das características, trata-se de um modelo matemático, suficientemente simplificado para ser adaptado em cálculo computacional e é constituído por duas partes fundamentais:
A equação da continuidade diz que a diferença entre o
volume de líquido que sai e entra no volume de controlo é
igual à variação do volume de controlo e do fluido devida à
alteração da sua densidade.
As equações têm como base as seguintes considerações:
– A descrição da propagação de ondas de pressão no
interior de uma conduta
• O escoamento é unidimensional e desta forma a
velocidade e a pressão são constantes em cada secção
transversal da conduta.
– A modelação dos diferentes componentes de um
sistema, tais como bombas, válvulas, reservatórios,
mudanças de características de condutas, nós de
condutas, etc.
• O comportamento do material das paredes da conduta
e do fluido é linear e elástico.
A propagação das ondas de pressão é descrita por duas
equações de derivada parcial: A equação do movimento e
a equação da continuidade. Os componentes do sistema
representam as condições de fronteira necessárias para a
resolução das equações diferenciais.
Passamos a apresentar as equações diferenciais e a sua
transformação em equações de diferença finita apropriadas
para cálculo numérico, assim como a inserção das condições
de fronteira.
• Mesmo durante o regime transitório, o cálculo das
perdas de carga é feito com base na equação de
Colbrook-White aplicada em regime estacionário.
• O elemento convectivo da equação da quantidade de
movimento é desprezado.
As duas equações são:
Equação do movimento L1:
g.Hx + Vt +
λ
vv = 0
(1)
2.D
Equação da continuidade L2:
Ht +
a2
g
Com:
x vx = 0
(2)
H - altura manométrica
v - velocidade de escoamento
λ - coeficiente de atrito da conduta
D - diâmetro interior do tubo
g - aceleração da gravidade
a - velocidade de propagação das ondas de pressão
(celeridade)
Os índices caracterizam as variáveis independentes das
derivadas parciais, sendo x (ao longo do eixo da conduta) e t
(no tempo), por exemplo:
(1) - Linha piezométrica
(2) - Nível de referência
Hx =
∂H
∂x
Fig. 2 - Forças actuantes num volume elementar de fluido.
A equação do movimento deduz-se da segunda lei de
Newton, aplicada a um pequeno volume de controlo tal
como o representado na figura 2.
∑ Forças = massa x aceleração
80
O método das características consiste na transformação
destas duas equações diferenciais parciais em duas
equações diferenciais comuns equivalentes que podem
ser integradas numericamente ao longo de determinadas
curvas no plano x; t, designadas como curvas de equações
características ou simplesmente curvas características.
Critérios de Selecção e Análise de Sistemas Simples em Regime Transitório
Para este propósito as equações (1) e (2) são combinadas
numa equação linear L1 + µ.L2 = 0, em que inicialmente o
valor do factor µ é escolhido arbitrariamente assim resulta:
g
a2
λ x v x|v|
µ(Hx x
+ Ht) + (vx x µ
+ vt) +
=0
(3)
µ
g
2xD
Para dois valores reais de µ, diferentes e aleatórios, a
equação (3) resulta em outras duas equações que são
equivalentes às equações originais (1) e (2).
Para uma escolha adequada dos valores de µ, é possível
simplificar a equação 3.
v = v(x,t) e H = H(x,t) são funções de duas variáveis independentes x e t cujas derivadas totais podem ser apresentadas da seguinte forma:
dv = vx.dx + vt.dt
(4)
dH = Hx.dx + Ht.dt
(5)
Dividindo ambas as equações por dt resulta:
dx
dv
+ vt
= vx.
dt
dt
As curvas representam fisicamente, a propagação de
perturbações (ondas de pressão) ao longo do plano x, t.
Para a resolução numérica das equações (11) e (14) divide-se
a conduta em N partes iguais de comprimento ∆x (figura 3).
(6)
dH
dx
= Hx.
+ Ht
dt
dt
(7)
Os termos entre parêntesis da equação (3) comparam-se
com os termos à direita das equações (6) e (7) pelo que
teremos:
dx
g
dx
µ.a2
=
e
=
(8)
dt
µ
dt
g
A equação (3) pode ser escrita como uma equação diferencial ordinária:
dH
dv
λ x v x|v|
µ
+
+
=0
(9)
dt
dt
2xD
A equação (8) dá-nos os dois valores necessários para µ:
g
(10)
µ=+
a
Para cada valor µ da equação (10) obtém-se a partir das
equações (9) e (8) uma equação diferencial ordinária
(chamada equação da compatibilidade) e a respectiva
equação da curva característica ao longo da qual ela poderá
ser integrada:
}
}
g
dH
dv
λ x v x|v|
x
+
+
= 0 (11)
a
dt
dt
2xD
dx
=+a
dt
Com a escolha adequada do factor µ as duas equações
diferenciais de derivada parcial (1) e (2) são transformadas
em duas equações diferenciais ordinárias totalmente
equivalentes (11) e (13), sendo cada uma somente válida ao
longo da curva característica, no plano x, t, determinadas
pelas equações (12) e (14). Estas curvas características, no
caso particular da celeridade ser considerada constante,
transformam-se em linhas rectas de gradiente +a e -a.
No intervalo de tempo ∆t = ∆x/a, a equação (12) representa
uma linha diagonal de uma grelha com um gradiente
positivo (i.e. AP) e a equação (14) também representa uma
linha diagonal da mesma grelha mas com um gradiente
negativo (i.e. BP).
Se os valores de v e H forem conhecidos nos nodos A e B da
grelha, as equações (11) e (13), podem ser integradas entre
os pontos A e P e B e P respectivamente e desta forma
obtêm-se duas equações para a determinação das duas
incógnitas v e H no ponto P.
Se a equação (11) for multiplicada por a. dt / g = dx / g e se
a velocidade v é substituída pelo quociente entre o caudal
Q e a secção recta da conduta A obtém-se uma equação
com uma forma adequada para integração ao longo da
característica C+.
H
P
∫ dH +
H
A
c+
(12)
–g x dH + dv + λ x v x|v| = 0 (13)
a
dt
dt
2xD
dx
= –a
(14)
dt
Fig. 3 - Curvas características representadas no plano x, t.
c-
a
x
gxA
Q
P
∫
Q
A
dQ +
X
λ
2
2xgxDxA
P
∫ Qx|Q| x dx = 0
X
(15)
A
Em geral, é suficiente uma aproximação do primeiro grau
para a determinação do último termo (exceptuam-se os
casos em que o termo do atrito é dominante tal como no
caso de escoamento de óleos muito viscosos).
Resolvendo a equação (15) resulta:
a
λ x ∆x
Hp - HA +
x (QP - QA) +
x QA x |QA| = 0 (16)
gxA
2 x g x D x A2
81
Critérios de Selecção e Análise de Sistemas Simples em Regime Transitório
De maneira semelhante obtém-se uma segunda equação
pela integração da equação (13)
HP – HB –
a
λ x ∆x
x (QP - QB) –
2 x QB x |QB| = 0 (17)
gxA
2xgxDxA
Com ajuda das equações (16) e (17) as duas incógnitas Hp e
Qp podem ser facilmente determinadas.
No cálculo do sistema durante o regime transitório, os
valores iniciais nos nodos da grelha são os valores de Q e H
em regime estacionário quando t = 0.
Os valores de todos os pontos no interior da grelha (P) são
determinados no instante seguinte t = 1 x ∆t pela resolução
simultânea das equações (16) e (17). Com base nos últimos
valores de Q e H calculam-se novos valores para o instante
t = 2 x ∆t e assim sucessivamente.
Este procedimento aplica-se apenas para a determinação
dos pontos interiores da grelha, porque em cada extremidade da conduta apenas se tem uma única condição de
compatibilidade, no início da conduta aplica-se a equação
(17) e no fim a equação (16) de acordo com a figura 3.
O tratamento explícito das condições de fronteira, permite
a sua fácil modificação ou substituição (introdução de um
dispositivo de protecção), quer seja pela mudança dos
dados iniciais (i.e. alteração do volume de ar num RAC) quer
por substituição do seu modelo matemático (mudança de
subrotina de cálculo), permanecendo o resto do programa
inalterável.
Esta forma de se dimensionarem os dispositivos de
protecção, é muito mais fácil e poderosa do que a que se
realiza pelo método gráfico aproximado desenvolvido por
SCHNYDER/BERGERON, pelo que permite a optimização da
dimensão dos dispositivos utilizados.
O método das características, pode ser associado a técnicas
de interpolação, e desta forma ser aplicado para o cálculo
de sistemas complexos constituídos por várias condutas e
várias condições de fronteira.
4.3 Critérios de cálculo
Admitiu-se que a situação mais desfavorável para o sistema,
dentro de um critério de probabilidade significativa, consiste
na paragem simultânea de todos os grupos electrobomba,
causada por uma falta generalizada de energia. Embora
seja possível considerar manobras capazes de produzir
flutuações de pressão mais elevadas, pela sobreposição de
efeitos, estas teriam de ser constituídas por uma sucessão
de paragens e arranques de parte dos grupos de bombeamento, em instantes determinados, que não é razoável
ocorrerem acidentalmente.
Na modelação do comportamento das condutas, admitiram-se como válidas as hipóteses significativas habitualmente consideradas, tais como:
Fig. 4 - Características nas fronteiras
Desta forma é necessário dispor-se de uma condição de
fronteira em cada extremidade, ver figura 4 para cálculo
dos valores aí desconhecidos QP e Hp.
Isto poderá ser realizado por:
– Atribuir um dos dois valores de fronteira, que substituído na equação de compatibilidade válida para esta
fronteira permite calcular o outro valor (i.e. a cota de
descarga num tanque colocado na extremidade de
jusante da conduta Hp = Cte permite determinar o valor
de QP pela equação 16).
– Ou introduzindo uma relação funcional Q = f(H) a qual
permite em conjunto com a equação da compatibilidade aplicada a essa fronteira determinar Qp e Hp (i.e.
a equação da curva característica de um ou vários
grupos electrobomba em conjunto com a equação
(17) permite calcular os valores Qp e Hp)
A precisão e o tratamento explícito das condições de
fronteira (isto significa um tratamento independente dos
pontos interiores), representam as vantagens mais importantes do método das características.
82
– A distribuição da velocidade e de pressão, é uniforme
nas secções transversais da conduta;
– As perdas de carga unitárias são iguais às de um
escoamento uniforme com a mesma velocidade
média, admitindo-se que este se mantém puramente
turbulento;
– Os termos convectivos das equações da continuidade
e da dinâmica são desprezáveis;
– O comportamento reológico da água e do material
das condutas é elástico e linear;
– O eixo das condutas é imóvel e desprezam-se as forças
de inércia do invólucro;
– A altura cinética do escoamento na conduta é
desprezável face à altura piezométrica.
Os intervalos de tempo e os comprimentos dos trechos de
cálculo considerados, obedecem à condição de estabilidade
do método de cálculo (número de Courant Cr = aδt/δx <1),
tendo a compatibilização entre os intervalos de tempo nos
diferentes troços de conduta, sido efectuada com recurso à
interpolação entre as condições do escoamento em secções
de cálculo consecutivas.
Critérios de Selecção e Análise de Sistemas Simples em Regime Transitório
4.4 Condições de fronteira
GRUPOS ELECTROBOMBA
As características funcionais dos grupos electrobomba, deverão
ser as constantes nas curvas características dos fabricantes.
Atendendo a que as bombas se encontram munidas de
válvulas de retenção de acordo com as Normas Portuguesas,
a modelação das condições de funcionamento das bombas,
é efectuada, considerando apenas as zonas de bombeamento normal ou de turbinagem por abaixamento da pressão
a jusante.
Esta modelação é efectuada admitindo que a altura total de
elevação das bombas Ht, pode ser determinada em cada
instante pela equação:
Ht = AN2 + BNQ - CQ2
em que N é a velocidade de rotação, Q o caudal bombeado
e A, B e C são coeficientes determinados a partir da respectiva
curva característica à velocidade nominal.
O rendimento das bombas é considerado variável em função
da velocidade de rotação e do caudal e dado por:
h
=
Q X Ht
DN2Q + ENQ2 + FN3
Com os coeficientes D, E e F determinados de forma semelhante aos anteriores.
RESERVATÓRIOS DE AR COMPRIMIDO
A principal função dos RAC consiste em evitar a ocorrência
de depressões na conduta, sendo as sobrepressões consequentes automaticamente atenuadas.
Na modelação da variação do volume de ar no interior dos
RAC, considerou-se a equação:
PV1,2 = Cte
Sendo P a pressão absoluta no interior e V o volume de ar.
Admitiu-se a verificação em cada instante da equação da
continuidade na derivação para os RAC e da igualdade das
cotas piezométricas no interior do RAC e no ponto de
derivação da conduta.
VÁLVULAS DE ALÍVIO
As válvulas de alívio destinam-se a limitar as sobrepressões
nas condutas a valores previamente regulados e são
aplicadas em complemento aos RAC, ou quando apenas se
verificam sobrepressões em regime transitório.
OUTRAS CONDIÇÕES DE FRONTEIRA
Todas as restantes condições de fronteira, tais como
alterações das características da conduta e da descarga
no reservatório, foram modeladas através da consideração
da equação da continuidade e da constância das cotas
piezométricas.
4.5 Dispositivos de protecção
Os dispositivos de protecção são órgãos que se introduzem
nos sistemas de transporte de líquidos, com a finalidade de
limitar as ondas de pressão transitórias e valores aceitáveis.
A escolha do dispositivo a utilizar em cada caso depende
das características do sistema, tais como do comprimento
das condutas, do seu perfil, do líquido transportado
(composição química, conteúdo de sedimentos, viscosidade, temperatura, etc.), do tipo de grupos elevatórios,
de válvulas (válvula de nível em reservatórios, válvulas de
controlo, de regulação, etc.) do comportamento das ondas
de pressão que se pretendem limitar (depressões ou sobrepressões), etc.
O método das características, devido à sua simplicidade e ao
poder de aplicação, permite de uma maneira fácil analisar
o comportamento de um sistema simples ou complexo,
dotado de um conjunto de dispositivos associados para sua
protecção.
Para proteger um sistema, poderá utilizar-se um único, ou
uma combinação de vários dispositivos de protecção,
dependendo do grau de complexidade da rede a proteger.
Entre os dispositivos mais utilizados contam-se os volantes
de inércia, reservatórios de ar comprimido (RAC), chaminés
de equilíbrio, reservatórios unidireccionais (RUD), válvulas
de retenção intercaladas na conduta, condutas de aspiração paralela, válvulas de alívio, etc.
Para certos casos particulares, concebem-se dispositivos
de protecção que poderão ser simulados por cálculo computacional, desde que se consiga estabelecer o respectivo
modelo matemático.
4.5.1 Volantes de inércia
Os volantes de inércia consistem em massas girantes que
são intercaladas nos veios de grupos electrobomba (figura
5) ou motobomba, com o objectivo de aumentar a sua inércia e desta forma a ampliar o tempo de paragem do grupo
e consequentemente a diminuição do caudal debitado pela
bomba será mais suave. Se a redução do débito da bomba
tiver lugar num período suficientemente longo, sem necessidade de se recorrer a volantes de dimensões excessivas,
este meio será adequado para controlar as pressões
transitórias.
Sempre que o termo AN2 da curva funcional da bomba for
superior à altura estática de elevação, a bomba irá bombear.
Se o tempo em que ocorrer a anulação do caudal bombeado
for superior ao período da conduta elevatória 2L/a, atenuar-se-á o valor da onda de pressão. Obviamente quanto maior
for o momento de inércia do volante, maior será o tempo
de anulação do débito e maior será a atenuação das ondas
de pressão transitórias. Há um limite de aplicação dos
volantes de inércia devido à sua resistência mecânica, à
das bombas, dos motores, e às características eléctricas,
quando os motores forem eléctricos. A aplicação de volantes
de inércia poderá obrigar ao sobredimensionamento dos
motores, de forma a que o seu binário de arranque seja
adequado para que a colocação em marcha da bomba
tenha lugar num período de tempo aceitável.
83
Critérios de Selecção e Análise de Sistemas Simples em Regime Transitório
Outras razões que limitam a aplicação de volantes de inércia
são económicas e dimensionais. A sua aplicação está em
geral limitada a condutas com uma extensão até 2000 m,
com períodos curtos, em que o tempo de anulação de caudal
durante a paragem da bomba é suficientemente longo,
para que as ondas de pressão transitórias sejam mantidas
dentro de limites aceitáveis.
Fig. 6 - Alteração da envolvente das pressões máximas numa conduta
protegida com válvula de retenção.
Fig. 5 - Grupo electrobomba equipado com volante de inércia
4.5.3 Reservatórios de ar comprimido
O dimensionamento de um volante de inércia é simples,
basta aumentar a inércia do conjunto de bombeamento e
recalcular o comportamento do sistema.
Os reservatórios de ar comprimido, RAC, são dispositivos de
protecção de condutas que actuam por diminuição da taxa
de variação de caudal, atenuando desta forma a amplitude
da onda de pressão transitória. São vasos metálicos fechados,
no interior do qual se encontra aprisionada uma dada
massa de um gás, em geral o ar e uma dada massa do líquido
transportado pela conduta. O gás e o líquido podem estar
em comunicação ou separados por uma membrana elástica.
Em regime estacionário (permanente), a massa de líquido
do interior do reservatório, está sujeita à pressão de funcionamento da conduta na secção de ligação e está em equilíbrio com o ar, que fica por sua vez submetido à pressão
da conduta, armazenando consequentemente energia
potencial elástica.
4.5.2 Válvulas de retenção
Se o perfil de uma conduta elevatória tiver uma altimetria
tal que esta apenas fique sujeita a sobrepressões durante o
regime transitório correspondente a uma manobra das
bombas, um método possível para a proteger, é o de se
intercalarem válvulas de retenção ao longo da conduta, de
forma a fazer a sua subdivisão em trechos de pequena
extensão, durante a fase da onda de pressão positiva.
As válvulas de retenção apenas permitem o escoamento
em direcção ao reservatório. Para esta situação o cálculo é
efectuado como se se tratasse de uma transição com vp1 > 0.
Quando ocorre a inversão do fluxo, a válvula não permite
tal e vp1 = vp2 = 0, sendo hp1 e hp2 determinados por (18) e (19)
respectivamente:
84
hP1 = hR –
CR
(vP1 – vR) – CR x 2fRvR |vR| ∆t
g
g
dr
(18)
hP2 = hS –
CS
(vP2 – vS) – CS x 2fSvS |vS| ∆t
g
g
ds
(19)
Quando se inicia um regime transitório, que origina uma
variação de pressão na conduta junto à secção de ligação
do reservatório, o líquido armazenado no seu interior e
submetido à acção do gás, deixará de estar em equilíbrio
com o da conduta. Para se restabelecer o equilíbrio, o líquido
passará a abandonar o reservatório no caso de um abaixamento da pressão na conduta, ou a afluir ao reservatório no
caso contrário. Paralelamente com a variação de pressão na
conduta, haverá uma variação de pressão da almofada de
ar. Na fase de depressão o volume do ar aumenta, transformando-se a energia potencial armazenada no gás em
energia cinética de escoamento. No caso da sobrepressão a
massa de gás diminui de volume, aumentando a sua
pressão e consequentemente a respectiva energia potencial
elástica, à custa da energia cinética de escoamento.
Critérios de Selecção e Análise de Sistemas Simples em Regime Transitório
Estes dispositivos muito divulgados, têm como principais
vantagens a sua simplicidade, facilidade de aplicação e
controle, fiabilidade e disponibilidade no mercado.
Uma vez que a pressão absoluta na secção de ligação é
hi (hi = hp no instante anterior), hgasi representa a pressão
absoluta do gás.
Encontram-se disponíveis correntemente no mercado
reservatórios de membrana com capacidades até 2 m3. Por
encomenda podem obter-se reservatórios com capacidades
superiores e reservatórios sem membrana de qualquer
capacidade.
Considerando pela equação da continuidade:
A1 vp1 + A2 vp2
dht
∆t
A1 vp1 = At
+ A2 vp2 ∴ ∆ht =
dt
At
Como desvantagens pode-se referir a necessidade de haver
um controlo apertado da massa de gás, o que exige a
aplicação de compressores isentos de óleo (compressores
hospitalares) no caso de grandes reservatórios e de
dispositivos de controlo automático, a possibilidade de
fecho violento das válvulas de retenção dos grupos de
bombeamento, o custo em geral elevado, principalmente
dos reservatórios de grande capacidade e a exigência de
manutenção.
Uma técnica analítica de cálculo, consiste na combinação
de uma análise em regime quase estacionário do funcionamento do reservatório, com um tratamento em regime
transitório do sistema de condutas. A passagem da onda
de pressão transitória através do reservatório, não é considerada no modelo de cálculo, mas ela é praticamente
atenuada e o seu valor é trivial.
No início do cálculo, a altura do líquido no interior do
tanque terá de ser conhecida, assim como a energia potencial na secção de ligação do reservatório à conduta. Estes
valores são designados por hti e hpi respectivamente.
A pressão do gás no interior do reservatório é estabelecida
em termos de uma coluna de líquido equivalente hgás.
hgási = hi – zt – hb – hti
(
em que At é a área transversal do RAC, At =
)
π
d2t.
4
A altura do líquido no interior do reservatório no final do
intervalo de tempo ∆t é dada por,
ht2 = ht1 + ∆ht
(21)
em que ht1 é a altura do líquido no início do intervalo de
tempo ∆t e ht2 no fim.
Aplicando a equação PVn = Cte correspondente aos processos
politrópicos aplicados a um gás perfeito, a pressão do ar no
interior do reservatório passa a ter o valor de,
n
hgas2 =
( ll –– hh )
t
t1
t
t2
x hgas1
(22)
O expoente da transformação politrópica do ar no interior
do reservatório poderá variar entre 1 correspondente aos
processos isotérmicos, e 1,4 nos processos adiabáticos.
Como em geral o volume de cálculo do reservatório varia
10% quando se varia o expoente entre 1 e 1,2 recomenda-se
a utilização para o expoente politrópico n o valor de 1,2.
Com hgas2 determinado, calcula-se hp por
hp = hgas2 + zt + hb + ht2
(20)
(23)
Fig. 8
It - altura do reservatório
dt - diâmetro interior
hb - altura da base do reservatório
zt - cota de inserção do RAC na conduta
Fig. 7 - Esquema de princípio de um RAC
Substituindo o valor de hp nas equações características
+
C- (16) e C (17) calculam-se facilmente os valores de vp1 e
vp2. Com estes valores determina-se o volume de água
admitido ou expulso do reservatório durante o intervalo de
tempo ∆t e consequentemente a variação de nível do líquido
no interior do reservatório.
85
Critérios de Selecção e Análise de Sistemas Simples em Regime Transitório
4.6 Circuito de desvio
Em certas situações pode estabelecer-se um circuito de
desvio aos grupos electrobomba, equipado com uma válvula
de retenção conforme se mostra no esquema da figura 9.
É uma aplicação típica em condutas forçadas longas,
dotadas de várias estações de bombeamento em linha,
permitindo por exemplo diminuir a classe de pressão dos
tubos. Quando os desníveis geométricos, ou as perdas de
carga em linha forem apreciáveis, a altura de elevação das
bombas é repartida pelas diferentes estações, resultando
em equipamentos mais económicos e com menor potência
instalada por unidade.
Na análise do comportamento do sistema, durante a paragem
de uma bomba deverá verificar-se se a pressão de jusante
se mantém superior à de montante. Quando tal não se
verificar, substitui-se a condição de fronteira correspondente à bomba por uma simples junção. Ou seja, as duas
equações características são resolvidas para se determinar
o caudal e a pressão, sem que a equação que modela a
bomba esteja presente.
Na modelação, deverá incluir-se um termo separado para
quantificar a perda de pressão (energia) na válvula de
retenção. Assim, aplicam-se as equações.
g
(hP1 – hR) + CR
aR
g
–
g
aS
(h
P2
(v
P1
– hS) + (vP” – vS) +
hP1 – hP2 = k
2 fS VS VS ∆T
=0
dS
v2P1
2g
(24)
(25)
(perda de energia na válvula)
Q
VP1 =
Noutros casos em que o caudal transportado é variável,
como por exemplo em condutas de transporte de água
potável para abastecimento domiciliário e industrial, em
que o volume de água a transportar varia com a estação do
ano, o dia da semana ou mesmo a hora do dia, quando o
volume de água que é necessário transportar for reduzido,
algumas das estações poderão ser retiradas de serviço,
permanecendo outras em funcionamento, de forma a que o
caudal debitado esteja de acordo com as necessidades.
Nas estações imobilizadas o escoamento far-se-á através
dos circuitos de desvio. Quando as bombas estiverem em
operação, a válvula de retenção impedirá o escoamento da
compressão para a aspiração.
Estas equações reduzem-se a uma equação quadrática em Q.
O circuito de desvio poderá desempenhar um papel de
protecção da conduta, evitando as depressões no ramo de
compressão. Quando ocorre uma paragem da bomba,
haverá uma queda de pressão no ramo de compressão, se a
pressão cair a um valor inferior ao do ramo de aspiração, a
válvula de retenção abre-se e passará a haver escoamento
de montante para jusante, limitando-se desta forma o
abaixamento de pressão. O valor da pressão mínima será
assim superior ao que teria lugar se o circuito de desvio não
existisse.
A1
VP2 =
2 fR VR VR ∆T
=0
dR
Fig. 9 - Esquema de um circuito de desvio a um conjunto de
bombeamento
Também poderá ser aumentada a capacidade de transporte, durante as horas de máximo consumo, de uma
conduta com funcionamento por acção da gravidade pela
intercalação de estações elevadoras de pressão (booster),
colocadas em linha e equipadas com circuito de desvio.
A estação poderá não estar sempre em funcionamento e o
escoamento dar-se-á através do circuito de desvio, durante
os períodos em que o escoamento for realizado pela acção
da gravidade.
86
Q
– vR) +
A2
Esta aproximação despreza o escoamento que tem lugar
através da bomba durante a sua paragem. Como em geral
o caudal é reduzido, o erro introduzido por esta simplificação é desprezável.
4.7 Chaminés de equilíbrio
Numa conduta equipada com bomba e chaminé de equilíbrio como se mostra na figura 10, enquanto a bomba se
encontrar a funcionar em regime estacionário as condições
de operação são as representadas.
Durante o curto intervalo de tempo ∆t associado à discretização das equações, a altura do líquido na chaminé poderá
ser considerada constante sem grande erro, sendo actualizada em cada instante. A parte superior da chaminé encontra-se aberta à atmosfera.
Durante o regime variável este dispositivo divide em geral a
conduta em dois troços que se comportam de forma diferente. O trecho compreendido entre a bomba, turbina
ou válvula e a chaminé, neste troço é mobilizada a energia
elástica do fluido e da conduta. No segundo trecho
compreendido entre o dispositivo e um reservatório
ou outro dispositivo semelhante, ocorre em geral uma
oscilação em massa.
Para diminuição da amplitude do líquido no interior da
chaminé, por vezes dota-se a ligação chaminé-conduta de
um dispositivo destinado à geração de perda de carga. O
tratamento destes dispositivos é semelhante ao apresentado para os RAC.
Critérios de Selecção e Análise de Sistemas Simples em Regime Transitório
Substituindo o valor de hP nas equações características
C- e C+ calculam-se facilmente os valores de vP1 e vP2. Com
estes valores determina-se o volume de água admitido ou
expulso da chaminé durante o intervalo de tempo ∆t e
consequentemente a variação de nível do líquido no interior
da chaminé. Antes de continuar o cálculo deverá verificar-se
se a altura do líquido no interior da chaminé é positiva.
Fig. 10 - Esquema de uma chaminé de equilíbrio
O dimensionamento de uma chaminé de equilíbrio compreende:
– O estudo do perfil da conduta para escolha do local
mais adequado para a sua instalação.
– Cálculo de secção transversal e de um eventual
estrangulamento, para atenuação das amplitudes
extremas de oscilação do plano de água.
Fig. 11
– Cálculo estrutural.
Na escolha do local para a sua instalação deverá atender-se
aos seguintes aspectos:
– Características topográficas do terreno.
– Impacto da estrutura no ambiente.
– Amplitude das ondas de pressão.
Salvo casos especiais, as chaminés são em geral constituídas por um tubo metálico, de betão armado ou escavado
na própria rocha, em que a velocidade do líquido no seu
interior é lenta. Para estes casos o modelo matemático da
condição de fronteira é semelhante ao utilizado para o RAC.
H = hP1 – ha
Uma vez que a pressão absoluta na secção de ligação é
hp1, e ha representa a pressão atmosférica.
Fig. 12 - Chaminé de equilíbrio desenho tipo da SABESP
Considerando pela equação da continuidade:
ap1 vp1 = Ach
dhch
+ Ap2 vp2 ∴ ∆hch =
(a
p1
vp1 + ap2 vp2
dt
) ∆t
Ach
Ach é a área transversal da chaminé Ach =
π
2
d ch
4
A altura do líquido no interior da chaminé no final do intervalo de tempo ∆t é dada por:
H2 = H1 + ∆Hch
em que H1 é a altura do líquido no início do intervalo de
tempo ∆t e H2 no fim.
Com H2 determinado calcula-se hp por
hP = H2 + ha
4.8 Reservatórios unidireccionais
Os reservatórios unidireccionais são dispositivos de protecção
especialmente vocacionados para atenuarem as ondas
de pressão negativas. Conforme se poderá observar na
fig. 13, estes dispositivos consistem num tanque onde é
armazenado o líquido transportado pela conduta, com a
superfície livre em contacto com a atmosfera. Em alternativa poderá ser armazenado água proveniente de uma
fonte externa.
A ligação entre o reservatório e a conduta é dotada de
uma válvula unidireccional (válvula de retenção), que
permite o escoamento no sentido RUD conduta e impede-o
no sentido oposto.
87
Critérios de Selecção e Análise de Sistemas Simples em Regime Transitório
O reservatório parcialmente bidireccional, é especialmente
vocacionado para ser instalado em pontos altos, de condutas
destinadas a transportar águas residuais. É constituído por
um reservatório construído em polietileno de alta densidade e dotado de uma válvula de retenção.
Fig. 13 - Reservatório unidireccional
Devido à sua concepção, o RUD permite a alimentação da
conduta aquando a cota piezométrica for inferior à da
superfície livre do líquido, como a conduta continuará a ser
alimentada, o tempo de anulação de caudal é aumentado.
Devido à concepção do RUD, a altura piezométrica na zona
de ligação é regulada pela cota da sua superfície livre.
A grande vantagem, apresentada por este dispositivo, é
a do líquido armazenado para protecção, não ficar em
contacto com a atmosfera. Evita-se dessa forma a inquinação,
no caso de água tratada e a propagação de cheiros no
caso de águas contaminadas. Outra vantagem, é a de se
dispensar o ramal de enchimento.
A análise deste dispositivo, é semelhante à da chaminé
de equilíbrio, sempre que a cota piezométrica no interior do
dispositivo, for inferior à cota da válvula de retenção. Caso
contrário, a análise é semelhante à de uma simples junção.
Em regime permanente, o líquido armazenado no RUD e o
que se encontra em escoamento na conduta, estão separados
pela válvula de retenção que se encontra fechada, assim, a
altura piezométrica na conduta não está em equilíbrio com
a massa de água armazenada.
Este dispositivo, admite o refluxo parcial de líquido ao
tanque, o que não acontece no RUD, permitindo desta
forma actuar também sobre as sobrepressões.
Enquanto a altura piezométrica na conduta for superior à
da superfície livre do RUD, o cálculo em regime transitório
na secção de ligação é idêntico ao de uma simples transição. A partir do instante em que as alturas se igualem a
análise passa a ser semelhante à de uma chaminé de equilíbrio.
4.10 Dispositivos de manutenção das
pressões transitórias
Pelo descrito, conclui-se que o RUD só entra em funcionamento quando a altura piezométrica na conduta for inferior
à da superfície livre e que não há escoamento no sentido
conduta RUD.
4.9 Reservatório parcialmente
bidireccional
O autor deste trabalho, necessitou projectar um dispositivo,
para proteger uma conduta elevatória destinada a transportar águas residuais, que apresentava um ponto alto
num local isolado. Devido às desvantagens referidas em
relação ao RUD, não era possível nesse caso a sua adopção.
Para proteger esse local, foi adoptada uma variante,
conforme representada na figura 14, o qual poderemos
designar por reservatório parcialmente bidireccional.
Para atenuação dos efeitos do choque hidráulico, durante a
paragem e arranque dos grupos electrobomba poderiam
ser utilizadas válvulas motorizadas ou arrancadores suaves.
Estes dispositivos não podem ser considerados dispositivos
de protecção uma vez que não actuam em caso de falha de
energia eléctrica da rede de alimentação.
4.10.1 Válvulas motorizadas
As válvulas motorizadas deverão possuir meios de fecho
adequados, devendo os tempos de manobra ser determinados
por cálculo. Em geral para se evitar tempos de manobra
longos, procede-se a um primeiro período de fecho rápido e
a manobra final mais longa, isto porque a actuação das
válvulas sobre o escoamento não é linear.
4.10.2 Arrancadores suaves
Os arrancadores suaves quando procedem também a paragens suaves, são excelentes órgãos para a atenuação das
variações da pressão ao longo das condutas, durante as
operações normais de arranque e principalmente paragem,
uma vez que o período de imobilização dos grupos electrobomba é prolongado, sendo o seu efeito semelhante ao dos
volantes de inércia.
Fig. 14 - Reservatório parcialmente bidireccional
88
O tipo de paragem dos grupos, assim como os períodos a
decorrer entre paragens sucessivas, de vários grupos
podem ser devidamente determinados com a introdução
de subrotinas de cálculo apropriadas.
Critérios de Selecção e Análise de Sistemas Simples em Regime Transitório
4.11 Caso prático
Análise dos resultados de cálculo
O cálculo inicial foi realizado considerando que os dois grupos
bombeiam através da conduta sem qualquer protecção.
Dos resultados do cálculo efectuado, verificou-se que
ocorre uma zona de depressão extensa (gráfico 1) e que a
sobrepressão subsequente tem um valor muito elevado,
concluindo-se que era necessário proteger a conduta com
dispositivos adequados.
Os dados de cálculo inicial, foram os que se passam a
indicar nos itens seguintes.
Comprimento da conduta elevatória L = 2808 m
Diâmetro
Ø = 500 mm
Espessura da parede
e = 7,3 mm
Rugosidade absoluta equivalente
k = 0,1
Material
Ferro Fundido Dúctil
Módulo de elasticidade da conduta E = 1,0 x 1010 kgf m-2
Módulo de compressibilidade da água E = 2,1 x 108 kgf m-2
Caudal em regime estacionário
Q = 0,375 m3/s
Cota de descarga no reservatório
373,3 m
Grupos electrobomba em funcionamento n = 2 (paralelo)
Velocidade de rotação
N = 1400 rpm
PD2 da bomba
5,86 kgf.m-2
PD2 do motor
92,00 kgf.m-2
Diâmetro do impulsor
D = 400 mm
Coeficientes da curva característica A = 1,92 x 10-4
B = 6,56 x 10-1
C = 5,37 x 103
Cálculo final
Em face do comportamento descrito para o sistema em
regime transitório, e após várias hipóteses de cálculo
para os dispositivos de protecção, foi seleccionado um RAC
associado a uma válvula de alívio, dimensionados conforme
o gráfico 1. Se não se realizar esta associação, o volume RAC
seria exagerado.
Resultados de cálculo final
Volume de ar m3
RAC
Os grupos electrobomba instalados em número de três
nesta primeira fase, com funcionamento de um número
máximo de dois em paralelo, são do tipo multicelular, de
pequena inércia comparada com a energia transferida ao
fluido a elevar e por consequência com um reduzido tempo
de anulação de caudal.
VÁLVULA
DE
ALÍVIO
Inicial
Mínimo
5,0
4,1
Máximo Adoptado
6,7
7,0
Condições de descarga
Caudal m3/h
Pressão de abertura
m.c.a.
1.300
390
1
89
Critérios de Selecção e Análise de Sistemas Simples em Regime Transitório
4.12 Referências bibliográficas
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Seminário 238, Golpes de aríete em condutas, LNEC, Lisboa, 1979.
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Timoshenk
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Wylie, E. B.; Streeter, V. L.
Fluid Transients
Water and Water Engineering, Julho 1963
Mc Graw-Hill 1978
O Custo do Ciclo de Vida como Factor de Economia
5. O CUSTO DO CICLO DE VIDA COMO FACTOR
DE ECONOMIA
Autor: Paulo Ramísio
Engenheiro Civil (FEUP)
Mestre em Engenharia do Ambiente (FEUP)
Assistente do Departamento de Engenharia Civil da
Universidade do Minho
Sócio da SBS – Engenharia Civil, Hidráulica e
Ambiente, Lda.
91
92
O Custo do Ciclo de Vida como Factor de Economia
5.1 Introdução
Os sistemas de pressurização representam por vezes custos
não desprezáveis no mercado da construção para
habitação, sendo principalmente onerosos em grande parte
dos sistemas industriais. Como qualquer investimento, a
escolha dos elementos que constituem o sistema (construção civil, equipamentos, acessórios e os decorrentes da
exploração) devem obedecer a considerações de eficácia e
economia.
Estima-se que o elevado número de sistemas de bombeamento existentes a nível mundial, nas suas mais variadas
aplicações (abastecimento público e predial de água potável;
colecta, transporte e tratamento de águas residuais; instalações de rega; industrial, etc.), consomem cerca de 20% da
energia eléctrica global (Europump, 2000).
Consumo mundial de energia eléctrica
Outras Aplicações
(80%)
Ou
Sistemas de Bombeamento
(20%)
Fig. 1 - Consumo mundial de energia eléctrica
Trata-se portanto de um consumo significativo, principalmente numa altura em que a questão energética assume
um importante papel na economia nacional, mas também
mundial.
A correcta escolha de todos os componentes de um sistema
de bombeamento apresenta-se assim como uma oportunidade para uma redução nos custos globais da instalação,
ao longo da sua vida útil.
A avaliação dos custos do sistema ao longo da sua vida útil,
pode ser realizado por várias metodologias.
Um dos grandes objectivos duma metodologia desta
natureza deverá ser o rigor e a isenção, pois só assim
poderá ser utilizada, não só para optar entre diferentes
soluções do mesmo fabricante, mas também servir para
comparar soluções de fabricantes diferentes.
No presente documento optou-se por seguir a metodologia
proposta pelas seguintes entidades:
• O Instituto Hidráulico (HI), fundado em 1917, é a maior
associação de produtores e de fornecedores da América
do Norte. Estabelece padrões e organiza fóruns para a
troca de informações técnicas há mais de 80 anos.
• O Europump, estabelecido em 1960, age como porta-voz
dos 15 principais fabricantes de bombas e representa mais
de 400 fabricantes. O Europump serve e promove a indústria europeia das bombas hidráulicas.
• O Departamento de Energia dos Estados Unidos, promove
parcerias com indústrias e grupos de comércio, para a
implementação de sistemas de elevada eficiência de
energia, energias renováveis, prevenção da poluição e
tecnologias para aplicações industriais.
5.2 O que é o Custo do Ciclo de Vida?
O Custo do Ciclo de Vida (CCV) é uma ferramenta de gestão
que pode ajudar a minimizar os desperdícios e a maximizar
o rendimento para variados tipos de sistemas, incluindo
sistemas de bombeamento. Uma visão global é descrita no
artigo "Pump Life Cycle Costs" desenvolvido pelo Hydraulic
Institute e Europump de modo a facilitar a aplicação da
metodologia do CCV a sistemas de bombeamento.
O Custo do Ciclo de Vida de qualquer sistema de pressurização é assim o custo total durante o seu período de vida
útil. Representa os custos de aquisição, instalação, ensaios,
energéticos, operação, manutenção (preventiva e correctiva),
paragens, ambientais, desmontagem e desmantelação do
equipamento. A identificação de todas as parcelas envolvidas apresenta-se como uma etapa fundamental nesta
metodologia.
Quando o CCV é utilizado como uma ferramenta de comparação entre diferentes alternativas, o processo de cálculo do
CCV indicará, de forma isenta, a solução que apresenta
menor custo global, com base nas informações disponíveis.
5.3 Razões para a utilização do CCV
Os sistemas de pressurização são compostos por um
conjunto de obras de construção civil, equipamento eléctrico
e electromecânico, tubagens e acessórios. Como exemplo,
os grupos electrobomba embora sejam geralmente adquiridos como componentes individuais, eles são parte integrante de um sistema indissociável entre si.
A minimização dos custos globais nem sempre é uma tarefa
fácil. Enquanto algumas partes do sistema apresentam
praticamente todo o seu custo durante a construção, nos
equipamentos electromecânicos o custo de aquisição
poderá representar apenas 10% dos custos globais associados
a esses equipamentos. O investimento inicial é geralmente
uma pequena parte do Custo do Ciclo de Vida para sistemas
de pressurização.
A energia consumida e os materiais utilizados por um
sistema dependem das características da bomba, da instalação e do modo como o sistema irá operar. Adicionalmente
todos os componentes do sistema deverão ser cuidadosamente seleccionados para combinarem entre si e manter
no global um conjunto fiável assegurando os mais baixos
custos energéticos e de manutenção, assim como uma
longa durabilidade.
93
O Custo do Ciclo de Vida como Factor de Economia
Uma maior compreensão de todos estes pormenores
constituirá uma oportunidade para a redução dramática
dos custos energéticos, de exploração e de manutenção,
factores determinantes no Custo do Ciclo de Vida (CCV) da
instalação. A redução e o desperdício energético representam ainda um papel importante em benefícios ambientais.
Sistemas de bombeamento - Custos globais
Custos de
Exploração ( 85% )
Custos de
Manutenção ( 10% )
Custos do
Investimento ( 5% )
Fig. 2 - Repartição média dos custos globais em sistemas de bombeamento
Muitos sistemas são concebidos considerando apenas o
investimento inicial, originando sistemas que apresentam
grandes custos de manutenção e exploração. A crescente
competitividade dos mercados nacionais e internacionais
obriga a um esforço contínuo de modo a aumentar a competitividade. As empresas devem procurar soluções que visem
a redução dos custos globais e o aumento dos rendimentos
operacionais. A operação, principalmente no sector fabril,
continua a merecer uma particular atenção como fonte de
poupança de custos, especialmente pela via da minimização dos consumos energéticos e dos tempos de paragem
da produção.
Alguns estudos mostram que 30% a 50% da energia consumida pelos actuais sistemas de bombeamento podem ser
poupados através da alteração dos controlos dos sistemas
(Europump, 2000).
Os sistemas existentes podem contribuir com uma maior
fatia na redução da energia consumida através da utilização da metodologia do cálculo do CCV por duas razões:
A primeira porque existem pelo menos 20 vezes mais
sistemas em operação do que os colocados anualmente em
operação e, em segundo lugar porque muitos dos sistemas
em operação possuem bombas ou controlos que não estão
ajustados às necessidades actuais, talvez motivado pela
grande evolução tecnológica verificada nos últimos anos.
Adicionalmente às razões económicas para justificar a utilização da metodologia do CCV, muitas empresas começam
a estar cada vez mais sensíveis ao impacto ambiental nos
seus negócios, e consideram o rendimento energético como
uma via contribuinte para a redução de emissões de gases
e deste modo preservar os recursos naturais.
94
A análise do CCV, quer em novos empreendimentos quer
em remodelações requer sempre uma avaliação de sistemas
alternativos. Para a maioria de empreendimentos os custos
energéticos e/ou de manutenção dominarão os Custos do
Ciclo de Vida. É portanto de extrema importância a forma
precisa de determinar os custos energéticos actuais, o escalonamento esperado nos anos vindouros, assim como os
custos de mão-de-obra e dos materiais ao longo do ciclo de
vida do equipamento. Outros custos como por exemplo os
de paragens, desmontagem e desmantelação final do
equipamento e os de origem ambiental, sendo de difícil
quantificação, podem muitas das vezes ser estimados com
base em dados históricos. Em alguns casos os custos de
indisponibilidade podem ser mais significantes que os
custos energéticos ou de manutenção. Considerações
adicionais deverão ser tomadas em relação às perdas de
produtividade devido aos tempos de paragem.
5.4 Determinação do Custo do Ciclo de Vida
O processo do CCV é um método que permite a comparação
de soluções alternativas, em termos de custos. O processo
em si é basicamente matemático, mas extremamente
dependente da informação disponível, logo os resultados
do processo apresentam certamente um grau de fiabilidade similar ao dos dados de base.
Os sistemas de bombeamento têm muitas das vezes um
período esperado de operação de 15 a 20 anos. A escolha
destes equipamentos deve ser efectuada com base em
cálculos onde os detalhes do projecto do sistema devem
ser tidos em conta. Deste modo a comparação deve ser
efectuada entre diferentes tipos de sistema ou de controlo.
O exercício deve ser objectivo na análise e âmbito podendo
no entanto ser lato nas alternativas analisadas.
Com base nos estudos efectuados em problemas deste
tipo, a metodologia proposta apresenta os custos do ciclo
de vida, como sendo a soma das seguintes parcelas:
CCV = Cci + Cin + Ce + Co + C m + C pp + Ca + Cd
(1)
onde:
Cci
Custos iniciais (custos de construção civil, bombas,
tubagens, acessórios, serviços de apoio, etc.)
Cin
Custo de instalação e ensaios (arranque e formação
do pessoal)
Ce
Custos energéticos (operação do sistema incluindo
controlos e quaisquer serviços auxiliares)
Co
Custos de operação (mão de obra e supervisão normal
do sistema)
Cm
Custos de manutenção e reparação (reparações
previstas e de rotina)
C pp
Ca
Cd
Custos de paragens (perda de produção)
Custos ambientais
Custo de desmontagem e desmantelação (incluindo a
restauração ambiental do local e serviços de destruição
do equipamento)
O Custo do Ciclo de Vida como Factor de Economia
Os parágrafos seguintes examinam cada uma das parcelas
e levantam sugestões para a determinação de cada parâmetro. Dever-se-á ter em atenção que este cálculo não inclui
a análise a custos de segunda ordem como por exemplo as
matérias-primas consumidas no fabrico de produtos.
Detalhando:
Custos iniciais
• Este tipo de custos refere-se aos custos necessários para
a compra e instalação de equipamentos e obras de
construção civil, necessárias ao arranque do sistema.
Enquanto que nas restantes parcelas os custos associados
a equipamentos electromecânicos são dominantes, neste
o seu valor relativo pode vir diluído com o valor da
construção civil. Este facto pode originar a que seja
menosprezada a sua importância final nos custos globais.
• É determinante para estes custos o diâmetro das tubagens
e acessórios, a qualidade e fiabilidade do sistema seleccionado, os materiais utilizados, o seu comportamento
com o fluido bombeado, os empanques instalados, os
controlos integrados, etc. Estes detalhes, entre outros,
podem originar custos iniciais mais elevados mas reduzirem o CCV de uma forma considerável.
Custos energéticos
• O consumo energético é frequentemente uma das parcelas
com maiores custos e geralmente domina o valor final do
CCV, especialmente quando o tempo de operação das
bombas ultrapassa as 2000 horas de operação / ano. O
consumo energético é calculado através dos dados colhidos
no projecto do sistema. Se as solicitações ao sistema são
constantes, o cálculo é simples. Se as solicitações são muito
variáveis no tempo, então dever-se-á utilizar um registo
horário das necessidades para se efectuar o respectivo
cálculo.
A fórmula do cálculo da potência requerida é a seguinte:
P (kW ) =
γ ×Q× H
η c ×η m
(2)
em que:
P − Potência (kW )
γ − Peso específico do líquido (kN/m3 )
Q − Caudal (m 3 /s)
H − Altura manométrica (m.c.a)
η c − Rendimento da bomba
η m − Rendimento do motor
• Os custos iniciais incluem geralmente os seguintes itens:
• Serviços de Engenharia (estudos, projecto, desenhos,
especificações etc.);
• Processo de aquisição;
Logo, a energia será:
γ × Q(t )× H (t )
dt
η c ×x ηηmm(t)
to ηc(t)
t1
E (kWh ) = ∫
• Construção civil;
• Inspecção e testes;
• Peças de reserva;
• Formação;
• Equipamentos auxiliares para sistemas de vedação
ou arrefecimento.
Custos de instalação e ensaios
• Os custos de instalação e ensaios (arranque) incluem os
seguintes itens:
• Fundações (projecto, preparação, betão etc.);
• Ligações de tubagens de processo;
• Ligações eléctricas e de instrumentação;
• Ligações a sistemas auxiliares;
• Avaliações e regulações no arranque.
• Uma instalação completa dos equipamentos electromecânicos envolve requisitos de operação e manutenção
que serão assegurados por pessoal com formação para
operar o sistema.
• Os ensaios requerem uma especial atenção às instruções
do fabricante para a execução do arranque e operação.
Deverá ser seguida a lista de verificações proposta pelo
fabricante de modo a assegurar que os equipamentos e o
sistema possam operar dentro de parâmetros específicos.
(3)
• Os custos energéticos de serviços auxiliares também
devem ser incluídos. Estes custos podem ser referentes a
circuitos de aquecimento ou arrefecimento de fluidos de
processo. Nestes casos devem ser incluídos os custos do
fluido, filtragem, circulação e/ou dissipação de calor etc.
• Os métodos de cálculo da energia são relativamente
simples quando a bomba é utilizada num único ponto de
funcionamento. A situação torna-se mais complexa com
bombas em funcionamento paralelo ou se a bomba for
utilizada com um conversor de frequência. No funcionamento paralelo, deverão ser efectuados cálculos separados
para os vários pontos de funcionamento, aproximando
em seguida os volumes bombeados ou horas de funcionamento relativos a cada um destes. Uma bomba com
conversor de frequência tem um número infinito de pontos
de funcionamento. Outro factor de incerteza para o cálculo
do consumo de energia de bombas com conversor de
frequência é o facto do rendimento geral do sistema ser
difícil de calcular com exactidão.
Custos de operação
• Os custos de operação são os associados à mão-de-obra
relacionados com a operação do sistema. Estes podem
variar muito dependendo da complexidade e função
do sistema. Por exemplo uma bomba instalada em ambientes corrosivos pode requerer verificações diárias,
95
O Custo do Ciclo de Vida como Factor de Economia
enquanto um sistema semelhante com outro fluido pode
apenas necessitar de supervisões limitadas. Uma análise
periódica das condições de funcionamento do sistema pode
alertar os operadores para eventuais perdas de desempenho do sistema. Os indicadores de desempenho incluem
alterações em vibrações, temperaturas, ruído, consumo
energético, gamas de caudais, pressão etc.
Custos de manutenção e reparação
• O alcance da longevidade esperada para uma bomba,
requer uma manutenção regular e eficiente. O fabricante
aconselhará a frequência e a natureza da manutenção
periódica. Os custos dependem do tempo e da frequência
do serviço, mas também dos custos dos materiais. O
projecto pode influenciar estes custos por indicação
específica de alguns materiais, selecção dos componentes
e mesmo da facilidade de acesso aos componentes a
serem intervencionados.
• O programa de manutenção pode ser cumprido com
menor frequência mas com maior atenção aos detalhes
ou com maior frequência mas com intervenções mais
simples. As maiores actividades requerem frequentemente a remoção da bomba do local de instalação para as
oficinas. Durante esse tempo a unidade está indisponível
podendo haver perda total na produção ou um custo
de substituição temporária. Estes custos podem ser
minimizados por uma programação cuidada e atempada
da paragem.
• O custo total da manutenção de rotina é o resultado do
produto dos custos por intervenção pelo número de intervenções esperadas durante o ciclo de vida da bomba.
• Embora as avarias não possam ser previstas, podem ser
estimadas estatisticamente pelo cálculo do tempo médio
entre avarias.
Custos de paragens e perdas de produção
• O custo de paragens imprevisíveis e de perdas de produção podem ser uma parcela muito significativa no valor
CCV e pode rivalizar com os custos energéticos ou com os
custos de peças de substituição. Na maior parte das vezes
os custos de paragem são inaceitáveis por representarem
custos superiores à instalação de um equipamento de
substituição ou reserva. Se for utilizado um equipamento
de reserva, o custo inicial será mais elevado mas os custos
de manutenção não programada incluirão apenas os
custos da reparação.
• O custo de perda de produção ou de indisponibilidade
podem ser considerados dependente do tempo de paragem e devem ser analisados para cada caso específico.
Custos ambientais
• O custo da destruição de fluidos contaminantes durante
o tempo de vida de um sistema de bombeamento varia
bastante dependendo da natureza do produto bombeado.
Exemplos de contaminação ambiental podem incluir:
destruição da caixa do empanque, bombeamento de
96
produtos corrosivos, uso de peças contaminadas etc. Os
custos de infracção ambiental deverão ser incluídos, sob o
risco de representarem externalidades.
Custo de desmontagem e desmantelação
• Na maioria dos casos, o custo da desmantelação de um
sistema de bombeamento tem pequenas variações em
relação a diferentes concepções. Existem procedimentos
legais e regulamentares para líquidos tóxicos, radioactivos ou qualquer outro tipo agressivo. Quando a destruição
tem um custo demasiado elevado, o CCV torna-se particularmente sensível à vida útil do equipamento.
Custos totais do ciclo de vida
• Os custos estimados para as várias parcelas depois de
somadas permitem uma comparação das diferentes
soluções analisadas.
• Existem também factores financeiros a serem tomados
em consideração no desenvolvimento do CCV. Estes
incluem:
• Preços actuais da energia;
• Actualização do valor anual da energia;
• Taxa de inflação;
• Taxa de juros;
• Vida útil esperada para o equipamento.
Adicionalmente o utilizador deve decidir quais os custos
a incluir, tais como a manutenção, paragens, ambiental,
destruição e outros custos importantes.
5.5 Implementação da metodologia
5.5.1 Na fase de projecto
A concepção e o projecto do sistema serão sempre o elemento
mais importante na minimização do CCV. O projecto deve
considerar a interacção entre a bomba e o resto do sistema
e o cálculo do ponto de operação do sistema. As características da tubagem do sistema devem ser calculadas a fim
determinar o desempenho requerido da bomba. Isto aplica-se
quer a sistemas simples quer a sistemas mais complexos.
Será importante analisar a sensibilidade ou adaptabilidade
do sistema escolhido a situações diferentes das previstas
no projecto. Por exemplo, nos sistemas de distribuição de
água doméstica existe a incerteza do crescimento populacional, da sua capitação ou mesmo da taxa de ligação ao
longo do tempo. Um sistema mais flexível na exploração
pode apresentar uma mais valia acrescida.
Os custos de aquisição e os custos operacionais totalizam o
custo total de uma instalação durante sua vida, estando
directamente dependentes do diâmetro da tubagem e
dos restantes componentes do sistema. Uma quantidade
considerável das perdas da energia no sistema são devidas
às perdas de carga contínua, mas também às verificadas
em singularidades.
O Custo do Ciclo de Vida como Factor de Economia
O diâmetro da tubagem deve então ser seleccionado com
base nos seguintes factores:
• Economia da instalação (bombas e sistemas);
• Utilização de velocidades económicas,
• Considerar um diâmetro interno mínimo quando se
transportam líquidos com sólidos;
• Considerar uma velocidade máxima de modo a minimizar a erosão na tubagem e acessórios;
• Considerar diâmetros padrão da tubagem em instalações semelhantes.
Diminuir o diâmetro das tubagens tem os seguintes
efeitos:
• diminuem os custos de aquisição de tubagens e
acessórios da instalação;
• aumentam os custos da instalação da bomba e de
operação em consequência do aumento de perdas
de carga, resultando a necessidade de motores com
maior potência;
• aumentam os custos de energia eléctrica;
• aumentam os custos de operação em consequência
do maior consumo energético devido ao aumento
de perdas por atrito.
Analogamente, alguns custos aumentam com tamanho
crescente da tubagem como por exemplo os de aquisição,
mas outros diminuirão. As tubagens devem assim ser
dimensionadas por critérios de minimização dos custos
globais.
O ponto de funcionamento de um sistema é determinado
pela intersecção da curva da instalação e da curva característica do equipamento de pressurização como mostrado
em Figura 3.
Fig. 3 - Ponto de funcionamento de um sistema
Um sistema pode necessitar de operar em diversos pontos
de funcionamento, um dos quais determinará a escolha
da bomba. Deve ser considerado com atenção a duração
prevista para os diferentes pontos de funcionamento de
modo a seleccionar correctamente o número de bombas
a instalar e o comando e controlo. Os longos e fastidiosos
cálculos associados ao cálculo das perdas de carga podem
hoje, graças à capacidade de processamento, ser substituídos
por programas informáticos, facilitando significativamente
o processo de cálculo.
5.5.2 Aplicação a sistemas existentes
As seguintes etapas indicam algumas tarefas que podem
identificar pontos onde poderá ser possível melhorar um
sistema de bombeamento existente:
• Realizar um inventário completo do sistema de
bombeamento;
• Determinar os fluxos requeridos para cada carga no
sistema;
• Equilibrar o sistema para encontrar os diferentes
fluxos e cargas requeridas;
• Avaliar as perdas de carga no sistema;
• Efectuar mudanças à bomba para minimizar a carga
no sistema;
• Identificar bombas com custo de manutenção
elevado.
Dois métodos podem ser usados na análise de sistemas de
bombeamento existentes. O primeiro consiste em observar
as condições de operação do sistema "in-situ", e o segundo
consiste em executar cálculos usando as equações da
mecânica dos fluidos. O primeiro método confia em observações efectuadas no sistema (pressões, pressões diferenciais,
e caudais), enquanto que no segundo cria-se um modelo
matemático, tão exacto quanto possível do sistema e
depois simulam-se as pressões e os caudais dentro do
modelo. Os dois modelos não são incompatíveis, mas
completam-se.
Observar o sistema permite ver como o sistema se comporta,
mas as exigências operacionais do sistema limitam o
âmbito da experimentação. Desenvolvendo um modelo do
sistema, podem-se facilmente simular várias alternativas
do sistema, mas antes o modelo deve ser validado para
assegurar que representa exactamente o sistema que se
está a estudar. Não obstante o método usado, o objectivo
é ficar com uma ideia exacta de como as várias partes do
sistema operam e identificar onde as melhorias podem ser
feitas e o sistema optimizado.
A seguinte lista de verificações fornece alguns tópicos
úteis para reduzir o Custo do Ciclo de Vida de um sistema
de bombeamento existente:
• Considerar todos os itens com custos relevantes no
Custo do Ciclo de Vida;
• Escolher bombas e sistemas novos usando considerações do CCV;
• Optimizar o custo total considerando custos operacionais e custos de aquisição;
• Considerar a duração dos diferentes pontos de
funcionamento da bomba;
• Combinar o equipamento às necessidades do
sistema para o máximo rendimento;
• Combinar o tipo da bomba à solicitação pretendida;
• Não sobredimensionar a bomba;
• Especificar motores de elevada eficiência;
• Avaliar a eficácia do sistema;
• Monitorizar a bomba e o sistema;
• Considerar a energia desperdiçada em válvulas de
controlo;
• Optimizar a manutenção preventiva;
• Seguir as normas do fabricante.
97
O Custo do Ciclo de Vida como Factor de Economia
5.6 Exemplos de aplicação do Custo do
Ciclo de Vida
c) Instalar um Variador de Frequência (VF), e remover a
válvula de controlo;
5.6.1 Sistema de bombeamento existente
com uma válvula de controlo de caudal
Na figura 5 são apresentados os pontos de funcionamento
associados a cada uma das soluções.
d) Manter o sistema actual, admitindo uma reparação
anual da válvula.
Neste exemplo, um circuito de bombeamento transporta
um líquido contendo alguns sólidos de um tanque de
armazenamento para um tanque pressurizado. Um permutador de calor aquece o líquido, e uma válvula de controlo
regula o caudal no tanque pressurizado a 80 m3/h. Na figura
seguinte apresenta-se um esquema simplificado do sistema.
Reservatório
Reservatório
Pressurizado
Válvula
de Controlo
Fig. 5 - Pontos de funcionamento de cada alternativa estudada.
A substituição da válvula de controlo apresenta um custo
de aquisição e instalação de 5000€.
Bomba
Permutador
de Calor
Fig. 4 - Sistema de bombeamento estudado
O sistema apresenta problemas na válvula de controlo (VC)
que falha devido à erosão causada pela cavitação. A válvula
tem apresentado avarias a cada 10 a 12 meses com um
custo médio de 4 000 EUROS por reparação. Está a ser considerada a substituição da válvula existente por outra que
possa resistir à cavitação. Antes da troca da válvula de
controlo, foram consideradas outras opções e executada
uma análise de custo do ciclo de vida às soluções alternativas.
De modo a equacionar várias alternativas analisou-se o actual
funcionamento do sistema. Verificou-se que a válvula de
controlo opera actualmente com uma abertura de 15 - 20%
e com um considerável ruído de cavitação. Parece que a
válvula não se encontra correctamente adaptada à instalação. Após a revisão dos cálculos do projecto, descobriu-se
que a bomba instalada estava sobredimensionada (110 m3/h
em vez de 80 m3/h previstos), originando uma maior perda
de pressão através da válvula de controlo do que inicialmente estimado. Em consequência do grande diferencial de
pressão, a válvula apresenta danos de cavitação em intervalos regulares, demonstrando que a válvula instalada não
é apropriada para este processo.
Um variador de frequência de 30 kW tem um custo de
20 000 €, acrescidos de 1 500 Euros adicionais para a instalação e 500 € anuais para manutenção. Espera-se que não
seja necessário nenhuma reparação nos 8 anos seguintes.
Mantendo o sistema inalterado resultará num custo anual
de 4 000 € para reparação da válvula.
a) Substituir a válvula de controlo de modo a suportar o
grande diferencial de pressão;
Na análise do CCV efectuada utilizaram-se os seguintes
critérios e suposições:
• O preço de energia actual é actualmente 0.08 €/kWh e a
eficiência do motor de 90%;
• O processo é operado em 80 m3/h em 6.000 horas/ano;
• O custo anual para a manutenção periódica das bombas
é de 500 € por ano, com um custo da reparação de 2 500 €
cada segundo ano;
• Considerou-se o custo anual de manutenção periódica de
um variador de frequência de 500 €/ano.
• Não há nenhum custo de eliminação ambiental associada;
• Este projecto tem uma vida de 8 anos;
• A taxa de juro foi de 8% e uma taxa de actualização de
4% é esperado.
b) Alterar o impulsor da bomba para reduzir a altura manométrica;
Os cálculos do Custo do Ciclo de Vida para cada uma das
quatro opções são resumidos no Quadro 1.
As seguintes opções foram estudadas:
98
Alterando o diâmetro do impulsor para 375 milímetros, a
carga total da bomba é reduzida a 42.0 m e 80 m3/h. Esta
perda de pressão reduz a pressão diferencial através da
válvula de controle em 10 m, aproximando a válvula do
ponto para que foi projectada. O custo de energia anual
com o impulsor menor é 6 720 € por o ano, aos quais deve
ser acrescentado 2 250 € para alterar o impulsor, valor que
inclui o custo de desmontar e remontar a bomba.
O Custo do Ciclo de Vida como Factor de Economia
QUADRO 1 - CUSTOS DE CICLO DE VIDA (CCV) DAS VÁRIAS SOLUÇÕES ESTUDADAS
Alternativa A
Alternativa B
Alternativa C
Alternativa D
Investimento inicial (€)
5.000
2.250
21.500
0
Custo da energia (€/kWh)
0,08
0,08
0,08
0,08
Potência média absorvida (kW)
23,1
14,0
11,6
23,1
Horas por ano
6.000
6.000
6.000
6.000
Custo de energia (€)
11.088
6.720
5.568
11.088
500
500
1 000
500
2.500
2.500
2.500
2.500
Outros custos anuais (€)
-
-
-
4.000
Custos ambientais (€)
-
-
-
-
Custos de desmantelação (€)
-
-
-
-
Vida útil (anos)
8
8
8
8
Taxa de juro (%)
8
8
8
8
Taxa de actualização (%)
4
4
4
4
91.827
59.481
74.313
113.930
Custos de manutenção (€)
Custos de reparação (cada 2 anos) (€)
Valor de CCV (€)
A opção B, alterar o impulsor, tem o Custo do Ciclo de Vida
mais baixo e apresenta-se como a solução economicamente mais favorável, com base nos pressupostos apresentados.
5.6.2 Escolha do sistema de pressurização
na fase de projecto
a) Elevar a água para um reservatório superior
Nesta opção, deverá ser instalado um reservatório superior
a uma cota que permita uma pressão residual, no aparelho
mais desfavorável.
Existe portanto um único ponto de funcionamento como é
demonstrado na figura seguinte:
Neste exemplo será analisado o Custo do Ciclo de Vida para
diferentes sistemas de pressurização a um edifício de habitação. De modo a simplificar a análise considera-se que o
sistema de pressurização será alimentado directamente de
um reservatório com nível constante onde a água é mantida
à pressão atmosférica.
Para garantir a pressão residual mínima, com um caudal
de ponta de 18,6 m3/h, a altura manométrica deverá ser
de 5.0 Bar.
Foram comparadas as seguintes soluções:
a) Elevar a água para um reservatório superior, o qual
abastecerá graviticamente toda a rede doméstica;
b) Instalar uma central hidropneumática de velocidade
fixa;
c) Instalar uma central hidropneumática de velocidade
variável.
Altura
Manométrica
Caudal
Fig. 6
O funcionamento do sistema de pressurização funcionará,
por ciclos, em função do volume do reservatório superior.
No final de um ciclo (diário, semanal ou mensal) o volume
de água elevado será igual ao volume de água consumido.
Para este sistema optou-se pela instalação de duas bombas
do tipo "CR 15-5", cujas parcelas do CCV são apresentadas
no quadro 3.
99
O Custo do Ciclo de Vida como Factor de Economia
b) Instalar uma central hidropneumática de velocidade
fixa;
Nesta solução, a pressurização será realizada por ciclos,
entre a pressão máxima e mínima (estabelecida em função
do caudal provável e a pressão residual no aparelho mais
desfavorável). Consequentemente o caudal na rede variará
entre os valores estabelecidos para arranque e paragem
dos grupos.
Neste sistema existe um conjunto de pontos de funcionamento, ao longo da curva característica da bomba. Assim,
existe uma variação nos caudais bombeados, conforme é
apresentado na figura 7.
Optou-se pela instalação de uma central hidropneumática
de velocidade fixa do tipo "Hydro 1000" composta por três
bombas "CR 10-7".
Os ciclos de funcionamento estão muito dependentes
do consumo dos caudais na rede. Na análise de custos
considerou-se o seguinte perfil de carga:
QUADRO 2 - PERFIL DE CARGA CONSIDERADO
1
2
3
4
5
Caudal (%Qp)
100
75
55
35
12
Pressão (%Pmáx)
100
100
100
100
100
Tempo (h)
150
300
450
900
1500
Nas figuras seguintes são apresentadas as possíveis alterações às curvas características da bomba e da instalação,
relativamente às situações anteriores.
Em primeiro lugar, para a mesma altura geométrica, a curva
característica da instalação variará por aumento do caudal
(Fig 8a).
Por outro lado, existindo por vezes desfasamento entre os
consumos dos aparelhos de diferentes pisos, há variação do
termo independente do caudal (a altura geométrica), logo a
curva característica da instalação varia conforme é demonstrado na figura 8b.
Há ainda a considerar que num sistema desta natureza, a
velocidade de rotação da bomba pode variar, logo a curva
característica da bomba toma as formas apresentadas na
figura 8c.
É assim possível responder a uma grande variabilidade de
situações. O sistema de pressurização consegue assim satisfazer um grande número de solicitações ou leis de consumo,
dentro dos limites impostos pelo equipamento electromecânico e pela instalação. Na figura 8d é apresentado
a gama de pontos de funcionamento admitida por este
sistema. Trata-se portanto de um sistema com grande
flexibilidade.
Os gastos de energia são mais difíceis de estimar porque a
variabilidade real dos caudais também o é. No presente
exemplo foi estimado o mesmo perfil de carga definido
para o sistema anterior. Trata-se de uma simplificação
conservativa uma vez que em muitas situações o consumo
de energia será inferior ao simulado.
Os valores do CCV são resumidos no quadro 3.
b)
Fig. 8 - Curvas características
Fig. 7
c) Instalar uma central hidropneumática com variador de
frequência, junto ao reservatório inferior
Neste sistema, embora de funcionamento mais simples,
a análise do sistema é mais complexa uma vez que o
bombeamento será directamente efectuado para a rede
de distribuição, acompanhando portanto as flutuações de
caudais verificados nesta.
100
Fig. 9
O Custo do Ciclo de Vida como Factor de Economia
Na análise do CCV efectuada utilizaram-se os seguintes
critérios e suposições:
• Os custos dos equipamentos electromecânicos são
valores médios de mercado.
• Não há nenhum custo de eliminação ambiental associada.
• Este projecto tem uma vida de 20 anos.
• A taxa de juro e a taxa de actualização foram consideradas iguais a 3,5%;
• O preço de energia actual é 0.08 €/kWh.
• Foi desprezado o custo da energia a diferentes horas
do dia.
• Não foram considerados os custos associados à cons-
• O custo anual para reparação das bombas é de 500 € por
ano. Os custos anuais de manutenção para as alternativas
A e B são de 500 € e 400 € para a alternativa C.
Os cálculos do Custo do Ciclo de Vida para cada uma das
trução do reservatório superior.
quatro opções são resumidos no quadro 3.
QUADRO 3 - CUSTOS DO CICLO DE VIDA (CCV) DAS VÁRIAS SOLUÇÕES ESTUDADAS
Alternativa A(*)
Alternativa B(**)
Alternativa C(***)
Investimento inicial (*)(€)
5.990 + 2.000
5.900
9.850
Custo da energia (€/kWh)
0,08
0,08
0,08
Consumo de energia (kWh/ano)
5.655
8.066
6.154
Custo de energia (€/ano)
452,4
654,3
492,32
Custos de manutenção (€/ano)
500
500
400
Custo médio de reparação (€/ano)
500
500
500
Outros custos anuais (€)
-
-
-
Custos ambientais (€)
-
-
-
Custos de desmantelação (€)
-
-
-
Vida útil (anos)
20
20
20
Taxa de juro (%)
3,5
3,5
3,5
Taxa de actualização (%)
3,5
3,5
3,5
37.038
38.806
37.696
Valor de CCV (€)
(*) - "2xCR 15-5";
(**) -"Hydro 1000 C/S 3xCR 10-7";
(***) - "Hydro 2000 ME 3xCR 10-6"
Nesta análise pode-se contactar que, com base nos dados e pressupostos utilizados, a alternativa C apresenta os maiores
custos de primeiro investimento mas os menores em energia e manutenção. Situação inversa é verificada na alternativa B.
Embora não tenha sido considerado no presente cálculo, a alternativa A pode apresentar problemas associados à exequibilidade da construção do reservatório à cota pretendida, de salubridade e de sobrecarga na estrutura do edifício.
Pode-se ainda verificar que a parcela energia não é desprezável no valor final do CCV, uma vez que assume valores entre a mesma
ordem de grandeza do investimento inicial (alternativa C) e o dobro do investimento inicial (alternativa B). Relativamente aos
valores do CCV, os gastos de energia representa 24%, 33% e 26% para as alternativas A, B e C, respectivamente.
101
O Custo do Ciclo de Vida como Factor de Economia
5.7 Referências bibliográficas
Europump, Hydraulic Institute, US Department of Energy,
"Pump life cycle costs: A guide to LCC analysis for pumping
systems', 2000. (ISBN 1-880952-58-0)
European Commission, "Study on improving the energy
efficiency of pumps", February 2001
European Commission - SAVE, "Study on improving the
efficiency of pumps", 2001.
Stoffel, B. and Lauer, J., "Theoretically attainable efficiency
of centrifugal pumps", VDMA project - Final report,
Technical University of Darmstadt, 1994.
Fuller, Sieglinde K., Petersen, Stephen R. "Life-cycle costing
manual", Federal Energy Management Program, 1995
102
Sistemas de Pressurização Grundfos
6. SISTEMAS DE PRESSURIZAÇÃO GRUNDFOS
Autor: Florindo Maia
Director de Apoio a Projectistas
Bombas Grundfos Portugal
103
104
Sistemas de Pressurização Grundfos
6.1 Introdução
Modo de funcionamento
Neste capítulo apresentamos as várias soluções práticas
com que os sistemas de pressurização são comercializados
pela Grundfos, integrando uma ou mais electrobombas, nas
versões de velocidade fixa e velocidade variável.
No acto da instalação deve-se proceder à regulação do
pressóstato em função da pressão de arranque e paragem
pretendida.
Os sistemas de pressurização, constituem um conjunto
compacto e caracterizam-se por incorporar electrobombas
e todos os componentes de controlo, de potência e hidráulicos que permitem o seu funcionamento integral.
Os controlos diferenciam os vários sistemas de pressurização permitindo ajustá-los às exigências da instalação,
obtendo-se diferentes níveis de eficiência e fiabilidade de
exploração.
Nos exemplos apresentados são sempre referidas as electrobombas multicelulares verticais CR ou CRE, com variação de
velocidade integrada, podendo porém ser utilizados outros
tipos de electrobombas de superfície ou submersíveis.
6.2 Sistemas de pressurização com grupos
electrobomba de velocidade fixa
Não existindo consumo de água, o grupo electrobomba não
funciona dado que o depósito está com uma reserva de
água, e consequentemente o sistema está sobre pressão.
Havendo necessidade de consumo, será a reserva de água
existente no depósito sob pressão que fornecerá esta até
à pressão de arranque do grupo electrobomba. O grupo
electrobomba funcionará para que o depósito seja novamente
enchido até atingir a pressão de paragem pré-regulada.
Código de identificação
Hydro100
HP
CR5-8
80
Gama
Grupo hidropneumático
Tipo grupo electrobomba
Capacidade do depósito
6.2.1.2 Sistema Hydro 100 HM
6.2.1 Sistema Hydro 100
Constituição
6.2.1.1 Sistema Hydro 100 HP
Este sistema hidropneumático é constituído por 2 ou mais
grupos electrobomba montados numa base comum, tendo
uma válvula de seccionamento e retenção por grupo electrobomba, colector de compressão comum, pressóstatos (um
por grupo electrobomba), manómetro, quadro eléctrico,
depósito de membrana.
Constituição
É constituído por um grupo electrobomba montado numa
base, incluindo válvula de retenção, manómetro, pressóstato,
acessório de intersecção e depósito de membrana, podendo
como opcional ser equipado o quadro eléctrico e respectivo
suporte de fixação.
Diagrama de princípio
Diagrama de princípio
Depósito de Membrana
Pressóstato
Manómetro
Contactor
Grupo
electrobomba
Válvula de
Retenção
Válvula de
Seccionamento
Limite de fornecimento
Simbologia
DEPÓSITO
VÁLVULA DE RETENÇÃO
PRESSÓSTATO
VÁLVULA DE SECCIONAMENTO
MANÓMETRO
COLECTOR
CABOS ELÉCTRICOS
TUBAGEM
QUADRO ELÉCTRICO
Válvula de pesca
105
Sistemas de Pressurização Grundfos
Modo de funcionamento
Modo de funcionamento
O depósito de membrana fornece água a consumir desde
que os grupos electrobomba estejam parados.
Após a pressão descer abaixo do valor mínimo, o primeiro
grupo electrobomba entra em funcionamento. Se o consumo
de água continuar a aumentar, mais grupos electrobomba
arrancam em cascata até conseguirem fornecer o caudal
necessário para manter a pressão dentro do intervalo regulado.
Quando o consumo de água diminuir, a pressão na descarga
aumentará e o controlador após receber esta informação
do pressóstato, dará ordem de paragem dos grupos electrobomba.
Código de identificação
Hydro100 HM
2
CR5-10
80
Este sistema efectua o sistema de arranque e paragem por
intermédio da regulação dos pressóstatos em sistema
de cascata. Assim que haja consumo de água, o primeiro
abastecimento é efectuado pelo reservatório.
Quando a pressão baixa até ao ponto de regulação, um
dos grupos electrobomba arranca, se o consumo de água
continuar a aumentar, os restantes grupos electrobomba
entram em funcionamento, em sequência (um a um).
Ao reduzir o consumo de água, a pressão de descarga sobe
e os grupos electrobomba são desligados em sequência
inversa, assim que atingem as respectivas pressões de
paragem.
O compressor arranca quando solicitado, apenas quando
um dos grupos electrobomba começar a funcionar e seja
detectado nível mínimo no reservatório, parando assim que
atinja a pressão pretendida.
Gama
Central com depósito
N.º de grupos electrobomba
Tipo do grupo electrobomba
Capacidade do depósito
Código de identificação
6.2.1.3 Sistema Hydro 100 HS
Hydro100 HS 2
Constituição
Este sistema hidropneumático é constituído por 2 ou mais
grupos electrobomba, montados numa base comum, tendo
uma válvula de seccionamento e retenção por grupo electrobomba, colector de compressão comum, pressóstatos (um
por grupo electrobomba e compressor de ar), manómetro,
quadro eléctrico, reservatório de água sem membrana
equipado com sistema de controlo de nível.
CR32-5 1500
Gama
Central com reservatório
N.º de grupos electrobomba
Tipo de grupo electrobomba
Capacidade reservatório
Diagrama de princípio
6.2.2 Sistema Hydro 1000
6.2.2.1 Sistema Hydro 1000 CS
Constituição
É constituído por dois a quatro grupos electrobomba verticais CR, montados em paralelo sobre uma base comum,
tendo uma válvula de seccionamento, e de retenção por
grupo electrobomba, colector de compressão comum,
pressóstatos, manómetros, quadro eléctrico completo com
unidade electrónica CS 1000 e depósito de membrana.
Para além dos grupos electrobomba principais, também
poderá funcionar com uma electrobomba de baixo caudal
com um grupo electrobomba auxiliar ( jockey).
Simbologia
GRUPO
ELECTROBOMBA
RESERVATÓRIO
TUBAGEM
106
VÁLVULA DE RETENÇÃO
MANÓMETRO
VÁLVULA DE SECCIONAMENTO
PRESSÓSTATO
VÁLVULA DE SEGURANÇA
PORTA ELÉCTRODO
VÁLVULA DE RETENÇÃO DE AR
VISOR DE NÍVEL
COMPRESSOR
CABOS ELÉCTRICOS
COLECTOR
QUADRO ELÉCTRICO
Sistemas de Pressurização Grundfos
Diagrama de princípio
Três grupos electrobomba em funcionamento.
A central Grundfos Hydro 1000 mantém a pressão praticamente constante através da activação ou desactivação de
grupos electrobomba, dependendo das necessidades.
GRUPO
ELECTROBOMBA
VÁLVULA DE
SECCIONAMENTO
VÁLVULA DE
RETENÇÃO
TRANSDUTOR
DE PRESSÃO
MANÓMETRO
O controlador CS 1000 altera a ordem de arranque após a
paragem dos grupos electrobomba. Desta forma o tempo
de funcionamento é distribuído entre os grupos electrobomba.
Código de identificação
HYDRO 1000
Modo de funcionamento
Quatro grupos electrobomba iguais controlados através de
pressóstatos e um depósito de membrana.
CS
3
CR10-6
300
Tipo
Controlo arranque/paragem
Número de grupos electrobomba
Tipo de grupos electrobomba
Capacidade depósito
6.2.3 Sistema Hydro 2000
6.2.3.1 Sistema Hydro 2000 MS
Constituição
O sistema de pressurização Hydro 2000 é constituído por 2
a 6 grupos electrobomba CR em paralelo montados numa
base comum, providos com todos os acessórios necessários
e quadro eléctrico de comando com Controlo 2000.
Diagrama de princípio
Um grupo electrobomba em funcionamento.
VÁLVULA DE
RETENÇÃO
GRUPO
ELECTROBOMBA
TRANSDUTOR DE
PRESSÃO
VÁLVULA DE
SECCIONAMENTO
MANÓMETRO
107
Sistemas de Pressurização Grundfos
Modo de funcionamento
Diagrama de princípio
Quatro grupos electrobomba idênticos com controlo por
arranque/paragem, através dos contactores-arrancadores
e depósito de membrana.
VÁLVULA DE
RETENÇÃO
GRUPO
ELECTROBOMBA
TRANSDUTOR DE
PRESSÃO
VÁLVULA DE
SECCIONAMENTO
MANÓMETRO
Um grupo electrobomba em funcionamento.
Modo de funcionamento
Um grupo electrobomba auxiliar com 50% da capacidade
de um grupo electrobomba principal, três grupos electrobomba principais idênticos, com controlo por arranque-paragem através dos contactores-arrancadores, depósito
de membrana.
Três grupos electrobomba em funcionamento.
A central supressora Hydro 2000 MS mantém uma pressão
quase constante, através do comando, ligando ou desligando
os grupos electrobomba, conforme as necessidades.
Um grupo electrobomba com 50% da capacidade do grupo
electrobomba principal, em funcionamento.
A alternância de funcionamento dos grupos electrobomba
é automática, e depende da carga, período de tempo ou de
avaria.
A pressão de paragem (Hstop) não pode ser configurada, pelo
facto de ser determinada automaticamente.
6.2.3.2 Hydro 2000 MSH
Constituição
O sistema de pressurização Hydro 2000 MSH é constituído
por 2 a 6 grupos electrobomba, sendo um grupo electrobomba auxiliar com 50% de capacidade dos grupos
principais.
108
Um grupo electrobomba principal e um grupo electrobomba auxiliar com 50% da capacidade do grupo electrobomba em funcionamento.
Sistemas de Pressurização Grundfos
A central supressora Hydro 2000 MSH, mantém uma
pressão quase constante, através do comando ligando ou
desligando o grupo electrobomba auxiliar dos grupos
electrobomba principais, dependendo das necessidades.
O grupo electrobomba auxiliar arranca sempre em primeiro
lugar e pára quando um grupo electrobomba principal entra
em funcionamento.
A alternância entre os grupos electrobomba principais é
automática e depende da carga, período de tempo ou de
uma avaria.
A pressão de paragem (Hstop) não pode ser configurada, pelo
facto de ser determinada automaticamente.
Código de identificação
Hydro 2000
MSH 2
CR 20-6
+
CR 10-12
PMU
80 L
Tipo de central
Subgrupo:
MS - MSH
Número de grupos electrobomba principais
Tipo de grupo electrobomba principal
Número de grupos electrobomba auxiliares
Tipo de grupo electrobomba auxiliar
Painel de controlo do Controlo 2000:
PMU: PMU 2000
PFU: PFU 2000
Depósito de membrana / Capacidade
6.3 Sistemas de pressurização com
grupos electrobomba de
velocidade variável
Diagrama de princípio
6.3.1 Sistema Hydro Solo E
Constituição
É constituído por um único grupo electrobomba da gama
CRE, com sistema de variação de velocidade incorporado na
caixa de controlo integrada no motor, interruptor de corte
geral, transdutor de pressão, manómetro, válvula de
retenção e seccionamento na compressão e depósito de
membrana assente sobre uma base de inox.
VÁLVULA DE
RETENÇÃO
GRUPO
ELECTROBOMBA
TRANSDUTOR DE
PRESSÃO
VÁLVULA DE
ISOLAMENTO
MANÓMETRO
109
Sistemas de Pressurização Grundfos
Modo de funcionamento
Diagrama de princípio
PRESSÃO DE PARAGEM
∆H
PRESSÃO DE ARRANQUE
Definida a pressão de ajuste na caixa de controlo, o grupo
electrobomba irá adaptar a sua velocidade ao consumo de
água requerido, mantendo uma pressão constante.
Quando o transdutor de pressão detecta um valor abaixo
do requerido (setpoint) a velocidade do grupo electrobomba
aumenta até ao valor pretendido fazendo variar a pressão
num valor de 0,5 ∆H acima, parando de seguida.
Para um valor 0,5 ∆H abaixo do setpoint, a electrobomba
arranca satisfazendo o consumo.
Para pequenos consumos (caudais reduzidos, fugas, etc.)
será o depósito de membrana que suprirá estas necessidades evitando arranques, aumentando assim o rendimento
do sistema.
VÁLVULA DE
RETENÇÃO
GRUPO
ELECTROBOMBA
TRANSDUTOR DE
PRESSÃO
VÁLVULA DE
SECCIONAMENTO
MANÓMETRO
Modo de funcionamento
- Hydro 2000 ME
Três grupos electrobomba idênticos com motores MGE e
depósito de membrana.
O valor ∆H é cerca de 10% do setpoint.
Código de identificação
Exemplo
Hydro
Solo-E
CRE 5-8
1 x 200-240 V
Gama
Subgrupo
Tipo de grupo electrobomba
Um grupo electrobomba em funcionamento.
Tensão
6.3.2 Sistema Hydro 2000 E
Constituição
O sistema de pressurização Hydro 2000 E consiste em 2 a 6
grupos electrobomba CRE/CR em paralelo, montados em
base comum, providos com todos os acessórios necessários
e quadro eléctrico de comando com controlo 2000.
110
Três grupos electrobomba em funcionamento.
Sistemas de Pressurização Grundfos
A central supressora Hydro 2000 ME mantém uma pressão
constante através da variação de velocidade dos grupos
electrobomba ligados.
A alternância dos grupos electrobomba é automática e
depende da carga, do tempo e de avarias.
O funcionamento do sistema é regulado de acordo com as
necessidades, através do ligar/desligar dos grupos electrobomba e do controlo paralelo dos grupos electrobomba em
funcionamento.
- Hydro 2000 MES
Um grupo electrobomba com motor MGE, dois ou três
grupos electrobomba principais com controlo arranque/
/paragem e depósito de membrana.
A alternância dos grupos electrobomba é automática e
depende da carga, período de tempo e de avarias.
- Hydro 2000 MEH
Dois grupos electrobomba com motores MGE, com 50%
da capacidade do grupo electrobomba principal, um ou dois
grupos electrobomba principais com controlo arranque/
/paragem e depósito de membrana.
Um grupo electrobomba com motor MGE e depósito de
membrana em funcionamento.
Um grupo electrobomba auxiliar de 50% da capacidade
com motor MGE em funcionamento.
Um grupo electrobomba com motor MGE e dois grupos
electrobomba controlados por arranque/paragem em
funcionamento.
Um grupo electrobomba auxiliar com motor MGE e grupo
electrobomba principal em funcionamento.
A central supressora Hydro 2000 MEH, mantém uma pressão
constante através da variação de velocidade dos dois grupos
electrobomba auxiliares com motores MGE, enquanto o
grupo electrobomba principal é controlado através de
arranque/paragem.
O grupo electrobomba auxiliar com motor MGE é sempre o
primeiro a arrancar.
A central supressora Hydro 2000 MES mantém uma pressão
constante através da variação de velocidade com motor
MGE, enquanto os restantes grupos electrobomba são
controlados por arranque/paragem, conforme as necessidades, alcançando deste modo um desempenho correspondente ao consumo.
- O grupo electrobomba auxiliar com motor MGE
arranca sempre em primeiro.
- A alternância dos grupos electrobomba é automática e
depende da carga, do período de tempo e de avarias.
111
Sistemas de Pressurização Grundfos
Código de identificação
Hydro 2000
MEH 2
CR 45-2 + 2 CRE 32-2
PMU
300 L
Tipo de central
Subgrupo:
ME - MEH - MES
Número de grupos electrobomba principais
Tipo de grupo electrobomba principal
Número de grupos electrobomba auxiliares
Tipo de grupo electrobomba auxiliar
Painel de controlo do Controlo 2000:
PMU: PMU 2000
PFU: PFU 2000
Depósito de membrana / Capacidade
6.3.3 Sistema Hydro 2000 F
Constituição
O sistema de pressurização Hydro 2000 F é constituído por
2 a 6 grupos electrobomba CR em paralelo, montados em
base comum, providos com todos os acessórios e quadro
eléctrico com controlo 2000 e conversor de frequência.
Diagrama de princípio
Um grupo electrobomba em funcionamento através do
conversor de frequência.
VÁLVULA DE
RETENÇÃO
GRUPO
ELECTROBOMBA
TRANSDUTOR DE
PRESSÃO
VÁLVULA DE
SECCIONAMENTO
MANÓMETRO
Modo de funcionamento
- Hydro 2000 MF
Quatro grupos electrobomba idênticos e depósito de
membrana: um dos grupos electrobomba é controlado
através do conversor de frequência e os restantes por
arranque/paragem por meio de contactores.
112
Um grupo electrobomba em funcionamento através do
conversor de frequência e dois grupos electrobomba que
funcionam através da rede eléctrica (arranque/paragem).
Sistemas de Pressurização Grundfos
A central hidropressora Hydro 2000 MF, mantém uma
pressão constante através da variação contínua de um dos
dois grupos electrobomba. Os restantes grupos electrobomba arrancam ou param dependendo das necessidades.
Um grupo electrobomba com 50% da capacidade em funcionamento através do conversor de frequência.
O grupo electrobomba controlado pelo conversor de frequência
arranca sempre em primeiro lugar.
A alternância dos grupos electrobomba é automática e
depende da carga, período de tempo ou de uma avaria.
Todos os grupos electrobomba são alternadamente controlados através do conversor de frequência.
- Hydro 2000 MFH
Dois grupos electrobomba auxiliares com 50% da capacidade de um grupo electrobomba principal, e um ou dois
grupos electrobomba principais. Os dois grupos electrobomba auxiliares são alternadamente controlados através
do conversor de frequência e os dois grupos electrobombas
principais por comando arranque/paragem.
Um grupo electrobomba auxiliar a 50% da capacidade em
funcionamento através do conversor de frequência e um
grupo electrobomba principal que funciona através da rede
eléctrica (arranque/paragem).
A central hidropressora Hydro 2000 MFH mantém uma
pressão constante através da variação contínua de velocidade
de um grupo electrobomba de 50% da capacidade e os
restantes grupos electrobomba são através do comando
ligado / desligado conforme as necessidades.
O grupo electrobomba auxiliar, controlado através do
conversor de frequência, é sempre o primeiro a arrancar.
A alternância dos grupos electrobomba é automática e
depende da carga, período de tempo ou de uma avaria.
Código de identificação
Hydro 2000
MFH 2
CR 45-2 + 2 CRE 32-2
PMU
300 L
Tipo de central
Subgrupo:
MF - MFH
Número de grupos electrobomba principais
Tipo de grupo electrobomba principal
Número de grupos electrobomba auxiliares
Tipo de grupo electrobomba auxiliar
Painel de controlo do Controlo 2000:
PMU: PMU 2000
PFU: PFU 2000
Depósito de membrana / Capacidade
6.4 Teste de sistemas
Para mais fácil compreensão das características dos sistemas
de pressurização com velocidade variável e velocidade fixa,
no respeitante à evolução da pressão e da potência consumida na gama de caudais cobertos pelos sistemas, poder-se-á apreciar nas folhas de teste anexas os diferentes
comportamentos registados.
113
Sistemas de Pressurização Grundfos
Folha de Teste de Centrais
Certificado N .º
Cliente
Encom enda Cliente
Encom enda Fabrica
Tipo de Bom ba/Central
Codigo Bom ba/Central
N .ºSerie Bom ba/Central
Tipo de M otor
N .ºProduto M otor
N º.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
810000023
H 2000 M E 3 CRE45-2 c/Depósito de 300L
9143D 064
10148/0507VJ
Altura nom inal
Caudalnom inal
N .ºde Fases
Frequencia
Tensão
Potência
Veloc.Rotação
Tem peratura Am biente
Tem peratura da Água
Q
H
F
cos
UU
UV
(m 3/h)
(m )
(H z)
phi
(V)
(V)
(V)
398,2
397,8
396,7
397,4
397,4
397,0
396,8
396,8
396,7
400,8
400,5
399,3
399,9
399,6
399,1
398,5
398,7
398,8
399,7
399,1
397,7
399,1
398,9
399,0
398,5
398,1
398,3
0,0
18,1
44,5
76,8
98,0
126,4
134,0
162,2
168,5
38,5
38,5
38,4
38,4
38,4
38,4
37,8
29,1
26,8
50,0
50,0
50,0
50,0
50,0
50,0
50,0
50,0
50,0
0,90
0,93
0,96
0,96
0,96
0,96
0,96
0,97
0,97
UW
m
m 3/h
38,7
3x45
3
50
400
3x7,5
Hz
V
kW
1/m in.
13,8
ºC
12,5
ºC
IR
IS
IT
P1
(A)
(A)
(A)
(kW )
4,3
6,3
14,9
19,6
25,6
32,3
34,0
35,6
35,8
4,4
6,5
15,2
19,9
26,1
32,6
34,2
36,2
36,4
4,1
6,1
15,0
19,7
25,8
32,5
34,1
36,0
36,2
2,6
4,0
9,9
13,1
17,1
21,5
22,6
23,9
24,0
200
180
40
160
140
30
100
20
80
60
10
40
20
0
0
0
25
50
75
100
125
Q (m 3/h)
Curva da Bom ba
D ata
O perador
Bancada de Ensaio
Testem unho
114
: 03-03-2005-10:00:01
:
:
:
Curva de Potência
150
175
P1(kW )
H (m )
120
Sistemas de Pressurização Grundfos
Folha de Teste de Centrais
Certificado N .º
Cliente
Encom enda Cliente
Encom enda Fabrica
Tipo de Bom ba/Central
Codigo Bom ba/Central
N .ºSerie Bom ba/Central
Tipo de M otor
N .ºProduto M otor
N º.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Altura nom inal
Caudalnom inal
N .ºde Fases
Frequencia
Tensão
Potência
Veloc.Rotação
Tem peratura Am biente
Tem peratura da Água
810000024
H 1000 3 CR10-10 com Depósito de 200L
9143A287
10053/0504EG
Q
H
F
cos
UU
UV
(m 3/h)
(m )
(H z)
phi
(V)
(V)
(V)
398,1
397,0
396,3
396,4
396,0
396,9
396,6
396,7
396,5
396,5
396,7
400,0
399,3
398,7
398,5
398,0
399,1
399,2
399,3
399,0
398,9
399,3
398,7
397,8
397,5
397,5
397,0
397,7
397,4
398,0
397,7
397,6
397,9
0,0
12,1
13,6
13,4
14,6
23,1
24,7
25,9
27,2
28,4
36,2
80,3
70,7
68,3
67,8
84,5
77,3
69,2
64,4
69,5
71,9
70,8
50,0
50,0
50,0
50,0
50,0
50,0
50,0
50,0
50,0
50,0
50,0
0,40
0,87
0,87
0,87
0,87
0,86
0,86
0,86
0,86
0,86
0,86
UW
m
m 3/h
81,6
3x10
3
50
400
3x4
Hz
V
kW
1/m in.
ºC
ºC
14,8
13,5
IR
IS
IT
P1
(A)
(A)
(A)
(kW )
0,8
7,2
7,4
7,5
14,8
14,7
14,4
14,3
14,2
21,5
21,3
0,8
7,9
8,1
8,0
15,2
15,2
15,2
14,8
14,8
22,0
21,8
0,0
7,3
7,6
7,6
15,2
15,1
15,0
14,9
14,8
22,4
22,1
0,2
4,4
4,6
4,6
8,9
8,9
8,8
8,6
8,6
13,0
12,8
22
100
21
20
90
19
18
80
17
16
70
15
14
13
12
11
50
10
P1(kW )
H (m )
60
9
40
8
7
30
6
5
20
4
3
10
2
1
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Q (m 3/h)
Curva da Bom ba
D ata
O perador
Bancada de Ensaio
Testem unho
Curva de Potência
: 03-03-2005-11:08:08
:
:
:
115
116
Sistemas de Controlo, Comunicação e Gestão
7. SISTEMAS DE CONTROLO, COMUNICAÇÃO
E GESTÃO
Autor: José Dias
Director de Serviço Pós-Venda
Bombas Grundfos Portugal
117
118
Sistemas de Controlo, Comunicação e Gestão
7.1 Introdução
Definições:
• O sistema de controlo cumpre o processo que permite
operar de forma automática o funcionamento das
bombas de um modo seguro e eficaz.
• O sistema de comunicação cumpre o processo pelo
qual a mensagem é transmitida de modo seguro entre
o sistema de controlo e o equipamento accionado.
• A gestão cumpre o processo pelo qual é possível contabilizar os diversos parâmetros, custos de exploração,
custos de manutenção, controlo e rentabilização de
exploração, em termos energéticos e de serviço, entre
outros. Permite ou não efectuar relatórios por forma
a ajudar ao melhor aproveitamento das variáveis
necessárias ao processo de funcionamento. Pode
elaborar mapas de controlo automáticos, bem como
registo de avarias ou acontecimentos importantes
para optimizar o funcionamento dos equipamentos
de bombeamento (bombas, válvulas, aparelhagem de
medida e controlo).
7.2 Controlo de sistemas de bombeamento
Cada bomba ou conjunto de bombas, deve efectuar a sua
função de modo aceitável para a sua aplicação. Daí que cada
sistema de bombeamento necessita sempre de um conjunto
de equipamentos externos às bombas, aplicados em diferentes pontos da instalação, de forma a assegurar a operacionalidade das bombas de acordo com a metodologia
recomendada. As bombas necessitam por isso sempre de
um sistema de controlo, de modo a efectuarem correctamente as funções para as quais foram seleccionadas e
projectadas, servindo a necessidade dos utilizadores. Esse
sistema pode estar inserido num quadro eléctrico de controlo,
cumprindo as normas eléctricas nacionais de segurança, ou
um controlo interno próprio que desempenhe as mesmas
funções de uma forma eficaz (controlo electrónico integrado).
7.2.1 Controlo por nível
O sistema de controlo por nível requer a utilização de
equipamentos eléctricos ou mecânicos, para a indicação ou
medida, instalados nos tanques, cisternas, poços ou outros
locais, de modo a operar os equipamentos de bombeamento
de uma forma criteriosa e segura, tanto para a instalação
como para os diversos componentes presentes neste
processo.
Neste sentido, a selecção e instalação das sondas ou eléctrodos
deve ser cuidadosa, tendo em atenção a localização da
instalação, a operacionalidade dos mesmos, a sua manutenção
e eficiência, entre outros.
A fim de assegurar uma correcta operacionalidade dos
sistemas de controlo, devem as sondas e sensores ser instalados com a redundância necessária a fim de assegurar o
controlo e a garantir a maior segurança e operacionalidade
com o mínimo risco de avaria ou falha.
O controlo por nível deve ser desenvolvido de acordo com
a aplicação específica, mantendo sempre em atenção os
requisitos de segurança atrás referidos, ou outros que se
entenderem beneficiar a instalação. Este deve operar as
bombas de acordo com a potência instalada e de acordo
com os objectivos do projecto.
Este tipo de controlo visa efectuar o enchimento constante
de um tanque ou cisterna, onde a necessidade do nível não
carece de ser controlada com elevado rigor mas visa essencialmente, manter a reserva de água com níveis aproximados
de modo a serem utilizados na medida das necessidades.
Os quadros de controlo da Grundfos (QES) estão preparados
para instalação de sensores de nível de uma forma selectiva
e ordenada permitindo desempenhar com maior eficiência,
segurança e operação da instalação.
7.2.2 Controlo por caudal
Visando essencialmente manter o caudal desejado para
a instalação, deve ser usado de acordo com a instalação
e de acordo com a selecção dos outros equipamentos de
bombeamento. Este tipo de controlo visa o controlo rigoroso do caudal, possibilitando assim assegurar o correcto
abastecimento da instalação. Este rigor é tanto mais preciso
quanto melhor for o equipamento de medida e o controlo das
bombas. A Grundfos, possui sistemas de controlo adequados
a cada tipo de aplicação, tendo para tal desenvolvido o
respectivo software de controlo adequado a cada tipo de
electrobomba com variação de velocidade, onde a melhor
eficiência para cada tipo de instalação é facilmente ajustável,
tanto de uma forma automática como de uma forma manual,
disponibilizando para tal, um elevado número de parâmetros que permitem rentabilizar a eficiência das bombas.
7.2.3 Controlo por pressão
Tradicionalmente o controlo por pressão pode ser efectuado
por recurso a um sistema de pressóstatos e vaso de expansão,
ou recorrendo ao sistema de controlo por transdutor de
pressão integrando os processadores Grundfos desenhados
e desenvolvidos para o efeito. Nesta área a Grundfos tem
aperfeiçoado e desenvolvido o mais moderno software e
aplicando-o aos seus processadores para utilização nos
quadros H2000 onde, com o auxílio de conversores de
frequência por si desenvolvidos, permite racionalizar o
funcionamento das centrais de bombeamento de uma forma
harmoniosa e eficaz oferecendo uma elevada performance
nas aplicações onde é utilizada. Garante-se assim um valor
de pressão constante na rede de abastecimento independente da variação dos consumos.
119
Sistemas de Controlo, Comunicação e Gestão
7.2.4 Outros tipos de controlo
7.3.1 Necessidade de comunicação
Existem muitos tipos de controlo possíveis de aplicar, no
entanto estes devem ser efectuados de acordo com as
necessidades de cada instalação. Entre eles destacamos
outros, como: controlo por diferença de nível, por diferença
de pressão, por diferença de caudais ou sistemas em que se
actue de acordo com as necessidades de nível, caudal ou
pressão. Pretendemos assim apenas referir-se algumas das
variantes possíveis, mas muitas mais existem.
Com o objectivo de controlar o funcionamento dos equipamentos à distância é necessário dotar as instalações de
meios pelos quais cada unidade possa observar o comportamento da outra e actuar automaticamente operando
de modo a avisar o operador ou a desenvolver rotinas
automáticas para corrigir qualquer anomalia ou processo
alternativo necessário. Para isso podem utilizar-se vários
processos de comunicação conforme as necessidades e
aplicação, dos quais abordamos apenas alguns.
7.2.4.1 Controlos mistos
Quando se trata de projectar uma instalação tendo vários
tipos de controlo a ela ligados, isto é, em que se necessite de
conjugar várias grandezas, referimo-nos a controlos mistos.
É possível integrar este tipo de controlos com os controlos
Grundfos. Como exemplo podemos referir o controlo do
nível do tanque ou cisterna a abastecer simplesmente uma
rede sobre pressão.
7.2.4.2 Controlos integrados
Sistemas de controlo diversos, integrados na mesma rede
com o objectivo de controlar automática e/ou manualmente, toda a instalação, visando a protecção dos equipamentos, das instalações e dos sistemas de exploração.
7.3 Comunicação entre sistemas de
bombeamento
7.3.2 Comunicação entre sistemas de
controlo da mesma rede
7.3.2.1 Diferentes níveis de controlo remoto
As modernas unidades de controlo de bombas permitem
que o sistema de controlo e monitorização seja personalizado
de acordo com as funções requeridas pelo projecto, de acordo
com os recursos disponíveis para investimento. Caso seja
preferido um simples sistema de transferência automática
de alarmes, a unidade de controlo pode ser equipada
com um modem GSM, que procederá à transferência dos
alarmes gerados pela unidade de controlo para o telefone
do responsável, sob a forma de uma mensagem SMS. Um
sistema deste tipo proporciona um enorme aumento na
fiabilidade operacional com um investimento moderado,
visto que não existe nenhum centro de controlo. Por outro
lado, as unidades de controlo modernas são capazes de
utilizar a totalidade do espaço da mensagem SMS, adicionando as informações registadas e analisadas mais importantes à mensagem de alarme. Por exemplo, estas informações poderão consistir no tempo de funcionamento
das bombas, número de arranques, consumo de energia,
pressão, etc. Caso um sistema deste tipo crie relatórios
automáticos e proceda à sua transferência semanal para o
responsável, mesmo que não ocorram quaisquer situações
de alarme, será possível evitar grande parte das habituais
visitas às estações de bombeamento. Caso seja introduzido
um sistema de controlo remoto e monitorização ao nível da
rede, existem vários modos de implementar a ligação de
comunicações entre as estações exteriores e o centro de
controlo, conforme descrito nas secções seguintes.
7.3.2.2 Transmissão de dados
Fig. 1 - Comunicação directa ou individual
120
Apesar das unidades de controlo das bombas terem um
funcionamento totalmente independente, a transmissão
de dados é crucial ao funcionamento dos sistemas de
controlo remoto. O tempo necessário para a transferência
de dados pode ser diminuído se a unidade de controlo das
bombas efectuar localmente a totalidade da análise dos
dados e armazenar os resultados na respectiva memória.
Sistemas de Controlo, Comunicação e Gestão
Assim sendo, só será necessário transferir os resultados
calculados para o centro de controlo, em vez de todos os
dados registados. Isto também permite que as unidades de
controlo das bombas funcionem independentemente, sem
necessitarem de estar permanentemente ligadas ao centro
de controlo. Os resultados também podem ser armazenados
na estação exterior durante algum tempo, normalmente
uma semana, antes de serem automaticamente enviados
em conjunto, dependendo apenas do número de informações
requeridas. Esta é uma característica importante, caso existam
interrupções indefinidas na ligação de comunicações.
A transmissão de dados é sempre configurada de acordo
com as necessidades individuais. A ligação das comunicações tem de ser flexível e permite normalmente a utilização
da rede telefónica pública, de modems de rádio, modems
GSM ou qualquer combinação destes. Também é possível
utilizar linhas dedicadas, mas este método é raramente utilizado nos últimos tempos devido ao aumento dos custos e
da fiabilidade incerta. Ambas as extremidades da ligação
de comunicações necessitam de um modem para modular
os dados para transferência. A escolha de um método de
transferência tem de ser da responsabilidade do utilizador,
tomando em consideração os custos de instalação, os custos
da transmissão de dados e as características requeridas
e proporcionadas por cada método. De uma maneira geral,
os modems de rádio e as linhas dedicadas são utilizados
quando as distâncias são curtas e quando existe a necessidade de comunicação contínua, tal como acontece, por
exemplo, com os circuitos de controlo entre os depósitos
de água potável e as estações de captação. Se estiverem
ligadas através da rede telefónica pública, as estações de
bombeamento e a estação de controlo central podem estar
situadas a uma grande distância praticamente ilimitada
uma da outra. A rede telefónica pública também permite
autorizar outras entidades, tais como fornecedores de
equipamentos e empresas de serviços, a acederem a uma
estação elevatória com objectivos específicos. A moderna
tecnologia de telecomunicações GSM constitui uma
solução apelativa para o controlo e monitorização remotos
de estações exteriores localizadas a grandes distâncias do
centro de controlo. A tecnologia GSM constitui frequentemente a melhor alternativa para adaptação de instalações
já existentes, uma vez que a instalação de linhas de acesso
de PSTN é dispendiosa e a sua disponibilidade poderá estar
limitada. Todas as tendências indicam que as comunicações
por modem GSM irão tornar-se cada vez mais populares
no futuro.
7.3.2.3 Transferência de alarmes
Os alarmes provenientes de uma estação exterior são transferidos para o centro de controlo, em cuja base de dados
são armazenados todos os alarmes recebidos. O software
de administração em execução no computador do centro
de controlo efectua a categorização automática dos
alarmes, bem como o agendamento das tarefas do pessoal
técnico de serviço, o que lhe permite transferir o alarme
para a pessoa certa no momento exacto (caso o alarme
esteja categorizado para transferência). Ocasionalmente, o
computador do centro de controlo também está equipado
com uma impressora separada para os alarmes, cuja função
é imprimir todos os alarmes para análise posterior.
Normalmente, os alarmes são transferidos para o telefone
GSM do técnico de serviço sob a forma de uma mensagem
SMS (de texto). Para além do texto do alarme, esta
mensagem poderá incluir informações mais detalhadas
sobre o estado da estação de bombeamento (em funcionamento/parada/falha), o volume de bombeamento durante
o dia, o tempo de funcionamento das bombas, outros alarmes
activos (configurados para não serem transferidos), etc.
Os alarmes também podem ser transferidos por pager.
O computador do centro de controlo cria o texto do relatório de alarme, contacta o operador do pager e envia a
mensagem que será apresentada no pager. Tipicamente, a
mensagem contém informações codificadas sobre a identidade da estação e o tipo de alarme emitido.
7.4 Gestão integrada entre sistemas de
bombeamento
Fig. 2 - Painel de supervisão de gestão integrada
7.4.1 Monitorização e gestão de sistemas
mistos
7.4.1.1 Controlo e monitorização de estações de
bombeamento
Todas as estações de bombeamento, quer trabalhem individualmente quer façam parte de uma rede de abastecimento ou de rega, composta por várias estações de bombeamento, devem ser controladas fiavelmente de modo a proporcionarem um funcionamento seguro e eficiente. A actual
tecnologia de controlo electrónico permite conceber e
projectar sistemas de controlo e monitorização versáteis,
destinados a reduzir os custos de funcionamento a longo
121
Sistemas de Controlo, Comunicação e Gestão
prazo e a aumentar a sua fiabilidade. As estações de bombeamento não fiáveis representam um risco ecológico e financeiro, sob a forma da descarga de águas para o ambiente ou
para as caves de edifícios, bem como inibe os utilizadores
de usufruírem do bem de que necessitam. Por este motivo,
a fiabilidade é a principal preocupação relacionada com a
concepção de uma unidade de controlo para uma estação
de bombeamento. A Grundfos estudou e desenvolveu
diversos tipos de controlos para diferentes aplicações,
tendo como preocupação fundamental a fiabilidade das
instalações e dos equipamentos de bombeamento.
particulares de abastecimento de água. O sistema de controlo
e monitorização baseado na Internet permite consultar e
criar relatórios dos dados históricos das estações de
bombeamento a partir de múltiplas localizações, possibilitando a utilização das informações sempre que tal seja
necessário, independentemente da localização. Por exemplo,
depois de introduzirem a respectiva identificação, os operadores, técnicos de serviço, gestores, engenheiros do sistema
de abastecimento, etc., poderão consultar os dados históricos
detalhados das estações exteriores a partir dos computadores instalados no próprio local de trabalho.
Recorrendo a diversos tipos de sensores, que monitorizam
as estações de bombeamento, desenvolveu softwares
próprios e processos electrónicos para a perfeita adaptação
das electrobombas que fabrica, às aplicações mais diversas.
7.4.2 Vantagens de um sistema integrado
Através dos controladores H1000 e H2000 é possível
usufruir, em cada sistema, do seu melhor desempenho,
tendo sempre em atenção os custos energéticos, de
manutenção e exploração, bem como a defesa do meio
ambiente e o conforto do utilizador. Também a nível do
controlo, é agora possível um sistema de monitorização
ao nível de rede e as possibilidades futuras de combinação
da internet e da tecnologia WAP.
7.4.1.2 Integração do sistema
Um sistema de controlo e monitorização de estações de
bombeamento pode ser integrado com outro sistema de
controlo, tal como um sistema de controlo da estação de
tratamento ou um sistema de controlo integrado da
empresa responsável pela rede de abastecimento público
de água. A integração não significa que todos os sistemas
serão executados no mesmo computador com o mesmo
software. A integração de sistemas é normalmente útil
para seleccionar o melhor sistema para cada aplicação e
para os combinar a um nível adequado. Esta solução poderia
permitir utilizar software comum para a transferência e
comunicação de alarmes. Para possibilitar esta integração,
os sistemas devem ser concebidos utilizando procedimentos
padrão, tais como sistemas operativos de PC e protocolos
padrão de transmissão de dados e entrada e saída de sinais.
7.4.1.3 Controlo e monitorização remotos baseados
na Internet e WAP
As mensagens de alarme transferidas para os técnicos de
serviço sob a forma de mensagens SMS são exclusivamente
informações unidireccionais. Se o técnico de serviço tivesse
a possibilidade de controlar o sistema e alterar alguns
parâmetros cruciais a partir do respectivo telemóvel quando
estivesse em viagem, poderia alcançar-se a flexibilidade
total proporcionada por um centro de controlo móvel.
As mais recentes inovações nas técnicas de controlo e
monitorização remotos envolvem a utilização da Internet
e da tecnologia WAP para ultrapassar as limitações dos
sistemas de monitorização tradicionais anteriormente
descritos. Os sistemas de controlo e monitorização através
da Internet/WAP permitem igualmente que a monitorização
remota seja proposta aos serviços públicos ou entidades
122
Fig. 3 - Vários sistemas integrados
7.4.2.1 Funções de controlo
O parâmetro mais comum de uma estação de bombeamento
H2000, é medir a pressão de abastecimento. Este tipo de
unidade de controlo utiliza sempre um transdutor ou um
sensor de modo a efectuar um controlo em contínuo. Estão
disponíveis vários tipos de sensores, tais como transdutor
de pressão, dispositivos ultra-sónicos, caudalímetros, etc.
Normalmente, a sequência de controlo da bomba é
bastante simples. Numa aplicação normal no modo serviço/
/reserva, os níveis de funcionamento pré-definidos são o
nível de paragem, o nível de arranque e a pressão de controlo.
As bombas de serviço arrancam quando a variável requerida
é insuficiente, parando quando esta estiver acima do valor
requerido. As bombas alternam em cada ciclo, para assegurar
uma distribuição igual da utilização e do desgaste entre as
bombas. A bomba de reserva arranca quando uma das principais estiver em avaria, numa situação em que todas as
restantes estejam em utilização. Se estiver instalada mais
do que uma bomba de reserva, essas bombas poderão ser
iniciadas simultaneamente ao mesmo nível, a intervalos
ajustáveis ou a níveis diferentes. Todas as bombas em
funcionamento são paradas, simultaneamente ou a intervalos ajustáveis, quando a variável atinge o nível de paragem.
Em algumas instalações é possível que todas as bombas
tenham níveis de arranque e paragem diferentes, esta
opção pode ser efectuada por relógio ou por indicação
externa. No entanto, este factor torna os cálculos de monitorização das bombas mais complicados e menos fiáveis.
Sistemas de Controlo, Comunicação e Gestão
Em alguns casos, é possível instalar uma ou mais bombas
de reforço com características diferentes, para tratar de
caudais maiores.
Caso ocorra a sobrecarga de uma estações de bombeamento,
o sistema deve ser capaz de adaptar a variável correctamente e sem ambiguidades, para que o operador possa evitar
possíveis danos. Quando a pressão de entrada e a duração
da sobrecarga são conhecidos, é activada a segurança da
instalação automaticamente. A medição da corrente do
motor da bomba é necessária para protecção e monitorização.
A unidade é configurada para proteger o motor da bomba
em situações anormais, através de limites ajustáveis de sub
e sobrecorrente no caso dos motores MGE da Grundfos,
protegendo ainda a bomba em caso de falta de água e onde
não é usada a protecção adicional recomendada. Nestas
circunstâncias, dado que o "Reset" do MGE se efectua automaticamente, este não deve ser considerado como dado de
controlo mas sempre como de protecção. Caso a corrente
de entrada suba acima do limite de sobrecorrente, situação
em que o sobreaquecimento do motor se torna um risco
devido à possibilidade de falha, esta é automaticamente
parada. Em conjunto com os relés térmicos ou os dispositivos electrónicos de protecção existentes no arrancador
do motor da bomba, esta unidade constitui uma valiosa
protecção para o motor. Uma corrente de entrada anormalmente baixa indica que a bomba não está a bombear
normalmente, o que pode ser devido ao desgaste do impulsor
ou à acumulação de ar. A corrente do motor da bomba é
também uma informação necessária para o planeamento das
operações de manutenção da bomba. Estas informações
são igualmente importantes para verificar o desempenho
operacional da estação de bombeamento e para a determinação das acções de manutenção.
Todas as funções acima descritas estão disponíveis na
unidade de controlo e monitorização C2000 da Grundfos
e podem ser lidas a partir do visor da interface PMU. Isto
permite simplificar o painel de controlo do motor, removendo
deste as características que estão incorporadas no PFU
tais como os amperímetros, os contadores de horas de
funcionamento e os relés de sequenciamento. A unidade de
controlo da bomba também está programada para indicar
todas as falhas de funcionamento da estação até um
máximo de 10, tais como alarmes de nível elevado, nível
baixo, falha de alimentação da bomba e outros alarmes
baseados nas definições dos limites dos parâmetros.
7.4.2.3 Parâmetros e sinais
A unidade de controlo da bomba necessita de vários
parâmetros para poder funcionar conforme necessário.
Os parâmetros são introduzidos na unidade com base nas
dimensões reais da estação e em unidades recolhidas no
projecto ou medidas no local da instalação. Para efeitos de
calibragem, é possível utilizar dimensões reais ou percentagens dos valores de referência. Os valores a introduzir são
normalmente níveis de funcionamento que correspondem
a um determinado nível de água no poço, tais como
os níveis de arranque e paragem das bombas, os níveis
baixo e alto de alarme e os níveis de sobrecarga. Os outros
parâmetros habitualmente requeridos são as dimensões do
poço e os valores nominais da corrente de entrada e da
capacidade das bombas, que se encontram nas folhas de
características destas.
São necessários vários sinais para que o controlo das bombas
funcione conforme planeado. Estes sinais podem ser digitais
ou analógicos. Os sinais digitais são sinais de entrada ou
saída e indicam um estado ON ou OFF. Os sinais de entrada
digitais necessários são a indicação de funcionamento ou
reserva da bomba, fornecidos pelos circuitos de comando,
bem como os sinais dos contactos isentos de potencial
fornecidos pelo relé de presença de tensão e pelo contador
de energia, quando presentes. Os sinais digitais de saída
são necessários para o arranque e paragem das bombas.
Os sinais analógicos de entrada, provenientes de sensores
adicionais, são utilizados para medidas contínuas. Por exemplo,
este sinais correspondem a medições da temperatura dos
enrolamentos e dos rolamentos do motor da bomba, informações sobre a condição do óleo do empanque da bomba,
dados provenientes de um medidor de caudal ou conversor
de frequência adicional, etc. A utilização destes sinais pode
requerer uma placa de expansão adicional, bem como uma
versão especial da aplicação de software.
7.4.2.4 Registo e análise de dados
7.4.2.2 Funções de monitorização
A unidade de controlo das bombas efectua a monitorização
automática das bombas com base nos parâmetros registados
e analisados. Todos estes valores podem ser enviados para
o sistema de gestão através de uma porta de conversão de
protocolo G100 (Profibus, Modbus, Intebus, etc.).
Em última análise, isto permite que os trabalhos de
manutenção e controlo das bombas passem gradualmente
da reparação de falhas para a manutenção preventiva e até
mesmo para a manutenção preditiva.
Fig. 4 - Registo de dados
A unidade de controlo e comunicação G100, do grupo de
bombeamento tem capacidade de memória suficiente
para registar os dados ao longo de um determinado período
de tempo. A unidade tem de registar, pelo menos, o tempo
de funcionamento, o número de arranques das bombas e
os incidentes relacionados com problemas de corrente no
123
Sistemas de Controlo, Comunicação e Gestão
motor da bomba. Dado que a mesma se encontrará interligada com um sistema de gestão instalado num PC, estes
dados serão convertidos para esta base onde deverão ser
tratados. Os dados registados podem ser agrupados e analisados mais detalhadamente através da sua transferência, a
intervalos específicos, para um computador portátil com
software adequado, ou continuamente, através de um sistema
automático de controlo remoto. Mesmo que a unidade de
controlo das bombas funcione como uma estação exterior
de um sistema de controlo e monitorização ao nível da
rede, necessitará de dispor de capacidade de memória suficiente para armazenar os dados registados e analisados
durante vários dias. Isto deve-se ao facto da perda de dados
cruciais não ser aceitável, nem mesmo durante possíveis
quebras de comunicação entre a estação exterior e o centro
de controlo.
7.4.2.5 Interface do utilizador
Para aceder aos dados e introduzir parâmetros, o utilizador
necessita de um interface para trabalhar com a unidade de
controlo das bombas. Este interface tem de ser composto,
no mínimo, por um pequeno visor LCD e um teclado. Para
esta situação a Grundfos dispõe de uma unidade PMU para
o efeito. O utilizador tem de ser capaz de introduzir todos
os parâmetros necessários e de ler os dados registados e
calculados utilizando o teclado. A utilização de um interface
deste tipo tem de ser simples e lógico. Habitualmente,
algumas funções úteis, tais como a função de varrimento
automático, facilitam e aceleram a leitura rotineira dos
dados. São utilizados indicadores luminosos separados para
a indicação de alarmes e do estado de funcionamento das
bombas.
124
Instalação e Manutenção de Bombas e Sistemas de Bombeamento
8. INSTALAÇÃO E MANUTENÇÃO DE BOMBAS
E SISTEMAS DE BOMBEAMENTO
Autor: José Dias
Director de Serviço Pós-Venda
Bombas Grundfos Portugal
125
126
Instalação e Manutenção de Bombas e Sistemas de Bombeamento
8.1 Introdução
Para a correcta instalação das bombas e restantes equipamentos de bombeamento devem ser consideradas algumas
regras de acordo com os diversos equipamentos que compõem
a instalação. O manual de instalação de cada tipo de bomba
alerta para estas condições, as quais devem ser cuidadosamente respeitadas, para além destas ainda devem ser consideradas as condições relativas aos quadros eléctricos de
controlo e protecção, bem como a sua localização.
Os equipamentos eléctricos, motores equipamentos electrónicos, e outros equipamentos de comando e regulação
alimentados por corrente eléctrica, possuem características
especiais que devem ser respeitadas quando instaladas em
ambientes em que as condições de temperatura sejam
adversas. Deste modo alertamos para a necessidade de
ventilação, espaço livre de passagem e ausência de humidade que os equipamentos necessitam para o seu correcto
funcionamento e longevidade.
É recomendado por isso, que as centrais de bombeamento
sejam instaladas tendo em atenção estas características
por possuírem estes componentes e consequentemente
necessitarem de condições de verificação adequadas.
8.2 Requisitos para instalação
8.2.1 Localização do equipamento de
bombeamento
Os equipamentos de bombeamento devem ser instalados
de acordo com as especificações dos manuais de instalação
respectivos tendo em atenção as características ambientais,
eléctricas e físicas. A sua localização deve ainda respeitar
e considerar a necessidade de manutenção e intervenção
local bem como condições de remoção do local.
8.2.2 Necessidades de ventilação
Uma das mais importantes características de bom funcionamento dos equipamentos eléctricos e electrónicos, tem a
ver com as condições ambientais de funcionamento, tais
como temperatura e humidade.
Os equipamentos de bombeamento, os quadros eléctricos
de controlo e restantes equipamentos de medida e controlo,
devem ser instalados de acordo com as suas características
físicas e de protecção, de modo a garantir-se o seu correcto
funcionamento e duração de vida e de acordo com os
manuais de instalação e operação respectivos.
8.2.3. Utilização de reservatórios de membrana
Porquê utilizar um reservatório de membrana, também
denominado depósito de membrana, numa central de
abastecimento?
Existem três razões essenciais para montar um depósito de
membrana numa central, que são:
1 - Para compensação da pressão no sistema durante os
períodos de paragem da bomba, permitindo a compensação de fugas e pequenos consumos.
2 - Reduzir o número de arranques e paragens das electrobombas no tempo, permitindo alargar os períodos de
manutenção.
3 - Permite proteger a instalação contra os regimes transitórios - golpes de aríete (consultar capítulo 4).
A Grundfos recomenda reservatórios cuja capacidade mínima
é a abaixo mencionada.
CAPACIDADES MÍNIMAS RECOMENDADAS
Capacidade do depósito de membrana [litros]
Modelo
da bomba
Velocidade fixa
Velocidade variável
MS
MSH
MF
MFH
ME
MEH
MES
CR(E) 3
60
-
60
-
60
-
60
CR(E) 5
80
-
80
-
60
-
60
CR(E) 10
200
100
80
-
80
60
80
CR(E) 15
200
100
200
-
80
80
80
CR(E) 20
200
200
200
200
80
200
200
CR(E) 32
300
200
200
200
200
200
200
CR(E) 45
300
300
200
200
200
200
200
CR(E) 64
500
500
200
200
200
200
200
CR(E) 90
500
500
200
500
200
200
500
NOTA: Sempre que os sistemas não refiram capacidades de depósitos é por estes não serem normalmente utilizáveis. Valores
apresentados nas tabelas que em alguns casos varia a capacidade do depósito também em função do número de bombas.
127
Instalação e Manutenção de Bombas e Sistemas de Bombeamento
8.3 Instalação de sistemas de
bombeamento
Na instalação de um grupo ou de uma central de bombeamento é necessário sempre respeitar as regras de instalações hidráulicas, as regras referentes à instalação eléctrica
e ainda às regras de boa prática de montagem mecânica.
A segurança dos equipamentos e das pessoas deve ser
sempre respeitada. Nesse sentido os equipamentos devem
ser protegidos a nível mecânico, hidráulico e eléctrico, bem
como acústico nos casos em que tal se justifique, por um
conjunto de instrumentos que respeitem o seu funcionamento de uma maneira geral, mas também a segurança.
Para as bombas com variação de velocidade CRE, caso falhe
o sistema de protecção existente contra falta de água, estas
estão preparadas para com sistemas de protecção suplementar interna, de modo a garantir o seu funcionamento
para além das protecções existentes. Entre as protecções
existentes internamente nos motores MGE da Grundfos,
destacamos, protecção contra falta de água, que permite
a maior duração dos empanques e casquilhos, a protecção
contra sobreaquecimento do motor e outras protecções
eléctricas. No funcionamento normal, se uma destas
avarias ocorrer, a bomba pára e só após algum tempo,
variável, volta a funcionar, após várias tentativas. Se a
avaria persistir, a bomba pára.
A Grundfos disponibiliza um sistema de protecção electrónico contra a falta de água, denominado LiqTec, o qual permite
a fiabilidade das bombas sempre que se verifiquem roturas
no abastecimento de água.
Fig. 1 - Sistema de protecção LiqTecTM
8.3.1 Aspiração negativa
As centrais de bombeamento instaladas com este tipo de
instalação, em que é requerido a aspiração de água de um
nível mais baixo que o nível em que estão instaladas as
bombas, devem ser considerados cuidados específicos e
regras de segurança de modo a que respeitem as condições
de aspiração próprias das bombas CR, daí que as centrais
devam ser instaladas como se de bombas individuais se
tratassem e os elementos de protecção individuais devem
de igual modo respeitar esta regra.
Os quadros eléctricos de controlo devem dispor de protecções
de modo a garantir a protecção e o bom funcionamento da
instalação e das bombas individualmente.
Os maiores problemas susceptíveis de ocorrer nestas instalações relacionados com as bombas são os provocados pelo
funcionamento sem água, a cavitação, a altura de aspiração
demasiado elevada e ainda a desferragem das bombas.
Nesse sentido é necessário prover a instalação dos adequados
sistemas de protecção por forma a evitar que os mesmos
ocorram. O uso de válvulas de retenção eficazes e com
reduzidas perdas de carga, o uso de equipamento auxiliar
como sensores de nível, boiadores, eléctrodos ou transdutores são outros dispositivos de segurança que devem ser
consideradas como medidas de protecção, bem como a
temperatura dos motores e dos empanques das bombas.
O cálculo do ponto de funcionamento da bomba, deve ser
efectuado tendo sempre em atenção ao valor da curva de
NPSH para esse mesmo ponto, de modo a prevenir possíveis
avarias e danos às bombas e à instalação.
128
Fig. 2 - Central de bombeamento tipo com aspiração negativa
8.3.2 Aspiração de cisterna elevada
Neste tipo de abastecimento, em que se recorre à ligação
do grupo ou da central de bombeamento, a uma cisterna
com pressão positiva, isto é, em que o nível da água está a
um nível superior ao das bombas, não existe o risco dos casos
mencionados anteriormente, no entanto a fim de evitar o
funcionamento indevido das bombas sem água, é necessário
que as mesmas estejam devidamente protegidas contra
essa possibilidade ou outras que possam provocar danos às
bombas, à instalação ou às pessoas. Nesse sentido em cada
sistema de bombeamento, os mesmos devem estar preparados com os cuidados devidos de modo a evitar danos.
Como exemplo de instalações susceptíveis de provocar
avarias, poderemos apontar:
• Percursos muito longos
• Tubagens subdimensionadas
• Demasiados acessórios na tubagem de aspiração da bomba.
• Uso de filtros sem a manutenção adequada, etc.
Instalação e Manutenção de Bombas e Sistemas de Bombeamento
8.3.3 Aspiração de uma rede sob pressão
Nas redes sob pressão há que ter em conta também um
eficaz sistema de protecção, não só contra falta de água,
como ainda para um possível aumento de pressão. Nestas
redes os grupos ou as centrais de bombeamento devem
estar protegidas contra funcionamento acima da pressão
de rotura da instalação ou acima da pressão das próprias
bombas. Neste tipo de aplicação pode ocorrer excesso
de pressão na aspiração, que adicionado à pressão de
funcionamento das bombas, caso não sejam tomadas em
consideração as pressões de funcionamento, podem provocar
avarias na instalação ou nas bombas.
Fig. 3 - Central de bombeamento com aspiração positiva
Normalmente são equipamentos externos às bombas e
que complementam a sua segurança.
Relativamente a bombas com variação de velocidade
Grundfos, a protecção contra falta de água é uma das suas
características internas como protecção ao equipamento,
não devendo ser entendida como característica de operação.
Como qualquer outro equipamento, a mesma deve ser
sempre considerada apenas como redundância a uma falha
do sistema de controlo. Mas nestas bombas existem ainda
outras protecções complementares que evitam as protecções
externas atrás mencionadas. São exemplo disso, protecção
contra sobreaquecimento do motor, falta de fase, o já referido
funcionamento em seco, contra sobrecarga, etc. Estas bombas
e os quadros que as controlam, têm de se adaptar à instalação e às diversas situações, como por exemplo o funcionamento em situações de perdas de carga variável, tendo
como objectivo sempre, a poupança de energia e a preservação das condições de segurança dos equipamentos e da
instalação.
Fig. 5 - Central de bombeamento tipo com aspiração de uma rede
8.4 Manutenção
8.4.1 Manutenção aos equipamentos de
bombeamento
Os aspectos a ter em conta para efeitos de manutenção
específicos, devem estar relacionados sempre com o
equipamento respectivo e deve para o efeito ser consultado
o manual técnico de instalação e operação das bombas.
Genericamente os materiais de maior necessidade de intervenção quando se trata de bombas CR, são aqueles que
sujeitos a maior esforço físico ou desgaste por fricção,
possam necessitar de maior intervenção. Dentro destes
poderemos considerar:
• Rolamentos dos motores e das bombas, quando
existirem
• Empanques e retentores
Fig. 4 - Central de bombeamento tipo, com aspiração de cisterna elevada
• Anéis de desgaste e casquilhos.
129
Instalação e Manutenção de Bombas e Sistemas de Bombeamento
nicos, a eles ligados, por outros programas com necessidades de acessos via internet ou outros susceptíveis de os
contaminarem com vírus informáticos que possam interferir com o seu bom desempenho. Sempre que se notar
um funcionamento irregular ou fora do normal, deve de
imediato ser alertado o fornecedor de modo a diagnosticar
possíveis falhas.
Fig. 6 - Empanques
Quando a estes estiverem ligados equipamentos sujeitos
a movimento mecânico (ex: contactores, relés ou outros),
deve ser efectuada uma inspecção regular, com a periodicidade acordada inicialmente, de acordo com as especificações de funcionamento previamente estabelecidas.
Também devem ser respeitadas as condições de temperatura de funcionamento e as regras de bom funcionamento
e ventilação.
No entanto no plano de manutenção a estabelecer deve ser
sempre considerado, o tempo de operação das bombas,
a qualidade da água, a temperatura da água e a temperatura ambiente, bem como as condições de ventilação da
sala onde a central ou as bombas estão instaladas.
8.4.2 Manutenção aos sistemas de
monitorização e controlo
Para um sistema de monitorização e controlo não é normalmente necessário qualquer manutenção especial. Devem
no entanto acompanhar-se e seguir-se a evolução do bom
desempenho do mesmo e evitar-se a utilização dos PC's
onde estão instalados ou dos outros equipamentos electró-
130
Fig. 7 - Manutenção de um quadro eléctrico de controlo
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
9. SISTEMAS DE ABASTECIMENTO PÚBLICO
E PREDIAL NO PORTO
Autor: Carlos Medeiros
Engenheiro Civil dos SMAS do Porto
Professor Auxiliar da FEUP e da FAUP
131
132
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
Serviços Municipalizados de Água e Saneamento do Porto
Reporta-se a 1392 o mais remoto registo histórico de que há notícia, revelador do facto de, há mais de seis séculos, o Porto já
possuir fontes e chafarizes, para uso público, embora sem condições de higiene.
No reinado de D. Sebastião (meados do séc.XVI), iniciou-se a construção dos mananciais de Paranhos e Salgueiros que, até ao
século XIX, se destacaram de entre os principais pólos abastecedores de água à Cidade.
No entanto, a inquinação dessas águas, as doenças transmitidas, a evolução dos cuidados com a saúde e ainda as exigências
quanto à qualidade de vida impunham uma transformação radical do sistema.
A partir de 1855, surgem várias companhias candidatas ao projecto e execução de obras de captação, elevação, transporte e
distribuição, sendo em 22 de Março de 1882 assinado o contrato com a "Compagnie Générale des Eaux pour l'Étranger", o qual
é aprovado por Carta de Lei, em 27 de Julho do mesmo ano.
O contrato com a Compagnie Générale era válido por 99 anos e foi estendido a Matosinhos no princípio do século. Os trabalhos
são concluídos em 1886, com a captação no Rio Sousa, mas só em 1 de Janeiro de 1887 é que o abastecimento é regularizado.
A população da Cidade era, então, de 122.000 habitantes e a água tida como a melhor da Europa.
Cem anos volvidos, ainda é vulgar designar-se a água do Porto como "água da Companhia".
O sistema mostrou-se extremamente vulnerável em regime de cheias dos Rios Douro e Sousa, começando a Câmara a exercer
fortes pressões junto da Companhia que conduziram ao resgate da concessão em 28 de Março de 1927, por 3.500 contos, e à
criação dos Serviços Municipalizados Águas e Saneamento em 1 de Abril desse ano.
Inicia-se aqui o terceiro ciclo de vida do abastecimento de água à Cidade do Porto, sistema posteriormente alargado aos
Concelhos de Gaia, Gondomar, Maia e Valongo.
Aumento de reservas, novas captações, em profundidade, no areal de Zebreiros (1937), expansão das redes de distribuição e
transporte são passos importantes de uma nova fase.
Em 1983, nasce uma nova fase na história dos SMAS com as captações em profundidade em Lever.
No que respeita à água para consumo público, os SMAS, procederam à captação, tratamento e adução em alta e em baixa até
finais de 2000, altura em que, passou o Município do Porto a integrar o Sistema Multimunicipal de Abastecimento de Água
à Área Sul do Grande Porto.
A água de abastecimento público passou, então, a ser adquirida pelos SMAS à empresa Águas do Douro e Paiva, S.A.
A rede de drenagem de Águas Residuais Domésticas, encontra-se a mesma estabelecida desde 1907. A sua necessidade vinha,
contudo, já sendo sentida desde algum tempo antes.
De acordo com o documento dirigido ao Rei pela Câmara Municipal do Porto, em 11 de Agosto de 1899 refere-se:
"São graves, os problemas de assistência e higiene pública. É para um dos múltiplos aspectos de um destes problemas que a
Câmara Municipal do Porto, vem perante Vossa Majestade solicitar a atenção do seu governo. Há anos já que esta
Municipalidade, justamente preocupada com as condições higiénicas da Cidade, empreendeu obras que lhe permitissem
melhorá-las e organizou Repartições de Estudo que a orientassem sobre a gravidade dos males e meios de os remediar. E como
causa principal deste lastimoso estado não se pode apontar outra que não seja a falta quase completa de uma rede de canalização para os esgotos da Cidade.... conhecida a causa indicado estava o remédio, e para isso esta Municipalidade, pôs a
concurso o projecto e execução das obras necessárias para o saneamento da Cidade. Teve isto lugar em 1896. Concorreu a
acreditada firma Hughes And Lancaster, conhecidíssima pelas obras congéneres executadas em diversas Cidades estrangeiras
e exploradora do Sistema Shöne para a elevação de esgotos."
Actualmente, a rede instalada possui uma extensão de 550 Km e capacidade de tratamento integralmente assegurada em
duas ETAR's (Freixo e Sobreiras), para uma população de 370.000 habitantes equivalentes.
133
134
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
9.1 Introdução
Nesta apresentação são abordados os principais aspectos
relacionados com os sistemas de abastecimento públicos
e, fundamentalmente, prediais de água fria e quente,
ressaltando as recomendações contidas no Regulamento
dos Sistemas Públicos e Prediais de Abastecimento de Água
e Drenagem de Águas Residuais (Decreto Regulamentar
23/95, de 23 de Agosto) e a sua adaptação efectuada pelos
pelo Regulamento dos SMAS - Porto.
Uma apresentação breve das condições a considerar na
instalação de abastecimento público preencherá a primeira
parte desta exposição.
A concepção dos sistemas de distribuição pública de água
no Porto deve passar pela análise prévia das previsões
do planeamento urbanístico (planos urbanísticos ou operações de urbanização em que se insiram) e das características
específicas da área urbana em que se insiram, nomeadamente às necessidades de água para o consumo e o combate
a incêndios.
É da responsabilidade do autor dos estudos e projectos a
recolha dos elementos de base. Para os obter, será
necessário requere-los ao Director Delegado dos Serviços
Municipalizados Águas e Saneamento do Porto, acompanhado de Planta de Localização da obra a levar a efeito,
fornecida pela Câmara Municipal, à escala 1:500 (Art.º 251º).
Seguidamente, são apresentados os principais tipos de
sistemas prediais de abastecimento de água, com as
condições que determinam a sua aplicabilidade, tanto a
nível técnico como de legislação de soluções de abastecimento directo ou de abastecimento com recurso a sistemas
elevatórios que garantam um abastecimento em quantidade e qualidade adequadas ao uso, bem como o abastecimento predial de água feita a partir de captação particular
(nascentes e furos), com o fim de se garantir o abastecimento para outras finalidades, tais como combate a incêndio, lavagem de pavimentos, uso industrial, entre outros.
Na escolha do sistema a ser utilizado, será importante
observar as condições de disponibilidade de abastecimento
garantidas pela rede pública, assim como as necessidades
prediais.
Os Serviços Municipalizados Águas e Saneamento do Porto
prestarão todas as informações de interesse, nomeadamente no que respeita à caracterização e localização das
redes públicas de abastecimento de água, as condições de
ligação, fornecendo os elementos seguintes.
Por fim, serão especificadas as principais etapas que constituem o dimensionamento dos sistemas prediais de
abastecimento de água fria e quente, nomeadamente, os
reservatórios, os sistemas elevatórios e as câmaras de
manobras para instalação de equipamentos elevatórios.
As capitações a considerar na distribuição exclusivamente
doméstica não deve, qualquer que seja o horizonte de
projecto, ser inferior a 250 l (habitante / dia). Em zonas com
actividade comercial intensa pode admitir-se uma capitação da ordem dos 50 l (habitante / dia) ou considerarem-se
consumos localizados. Os consumos industriais face a sua
grande aleatoriedade, devem ser avaliados caso a caso
e adicionados aos consumos domésticos. Consideram-se
consumos assimiláveis aos industriais os correspondentes,
entre outros, às unidades turísticas, hoteleiras, estabelecimentos de saúde, ensino, militares, prisionais, bombeiros e
instalações desportivas, que devem ser avaliados de acordo
com as suas características. Os consumos públicos, tais
como de fontanários, bebedouros, lavagem de arruamentos,
rega de zonas verdes e limpeza de colectores, podem geralmente considerar-se incorporados nos valores médios de
capitação global, variando entre 5 e 20 l (habitante / dia).
Conclui-se a exposição referindo aspectos importantes
referentes ao traçado, elementos acessórios da rede e as
verificações necessárias à prévia utilização dos sistemas
prediais.
9.2 Sistema de abastecimento público
9.2.1 Aspectos gerais
Nos arruamentos públicos existentes compete aos Serviços
Municipalizados Águas e Saneamento do Porto a elaboração de estudos e projectos dos sistemas públicos.
Em todas as intervenções urbanas, que impliquem a alteração ou ampliação dos sistemas públicos existentes ou a
implementação de novas infra-estruturas, é obrigatória a
elaboração dos estudos e projectos, pelo promotor, e
submete-los à aprovação dos Serviços Municipalizados
Águas e Saneamento do Porto (Art.º 250º).
a) A localização em planta das condutas, acessórios e
instalações complementares, sobre carta topográfica
à escala 1:500;
b) As secções, profundidades, materiais e tipos de junta
das condutas;
9.2.2 Elementos de dimensionamento
Os volumes de água para combate a incêndios são determinados em função do risco da sua ocorrência e propagação
na zona, cabendo ao Batalhão de Sapadores Bombeiros da
Câmara Municipal do Porto, caso a caso, a definição do grau
de risco e do caudal instantâneo a garantir (Art.º 18).
O diâmetro nominal mínimo das condutas de distribuição é
de Ø100mm (Art.º 23º).
135
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
Quando o serviço de combate a incêndios tenha de ser
assegurado pela mesma rede pública, os diâmetros nominais
mínimos das condutas são determinados em função do
risco da zona e devem ser:
a) 100mm - grau 1 a 3;
b) 125mm - grau 4;
c) 150mm (a definir caso a caso) - grau 5.
Cabe aos Serviços Municipalizados Águas e Saneamento
a definição da localização das bocas de incêndio e dos
hidrantes, após parecer do Batalhão de Sapadores
Bombeiro (Art.º 55º). Os diâmetros de saída são fixados em
45mm para as bocas de incêndio e em 60mm para duas
saídas e 90mm para os marcos de água.
9.2.3 Ramais de ligação
Os ramais de ligação asseguram o abastecimento predial
de água, desde a rede pública até ao limite da propriedade
a servir, em boas condições de caudal e pressão.
Os ramais de ligação consideraram-se tecnicamente como
partes integrantes das redes públicas de distribuição e
de drenagem, competindo aos Serviços Municipalizados
Águas e Saneamento do Porto promover a sua instalação
(Art.º 267º).
Quando se justifique, pode uma mesma edificação dispor
de mais de um ramal de ligação para abastecimento
doméstico ou de serviços. Os estabelecimentos comerciais
e industriais devem ter ramais de ligação privativos.
Nos ramais de ligação de abastecimento a reservas de água
e piscinas que se encontrem instaladas a uma cota não
superior a 10 m relativamente ao arruamento de onde
se faz a ligação, é obrigatória a instalação de coluna
piezométrica com desenvolvimento a definir pelos Serviços
Municipalizados Águas e Saneamento do Porto (Art.º 32º).
O diâmetro nominal mínimo admitido em ramais de ligação é de 25mm (Art.º 35º). Quando se tenha de assegurar
simultaneamente o serviço de combate a incêndios sem
reservatório de regularização, o diâmetro não deve ser
inferior a 45mm.
O diâmetro nominal mínimo das bocas de rega e lavagem
e respectivos ramais de alimentação é de 25mm (Art.º 53º).
Os diâmetros nominais mínimos dos ramais de alimentação dos hidrantes são de 45mm para as bocas de incêndio
e de 90mm para os marcos de água (Art.º 56º).
9.2.4 Elementos de instrução dos processos
de projectos
O pedido de aprovação de projectos deve ser instruído com
os seguintes elementos (Art.º 252º):
a) Requerimento dirigido ao Director Delegado dos
Serviços Municipalizados Águas e Saneamento do
Porto, a solicitar a aprovação do projecto, subscrito
pelo promotor;
136
b) Termo de responsabilidade do técnico autor do projecto;
c) Planta de Localização fornecida pelos Serviços
Municipalizados Águas e Saneamento
d) Memória descritiva e justificativa, onde conste a
identificação do proprietário, a natureza, designação
e local da obra, o tipo da obra, a descrição da concepção
dos sistemas, os materiais e acessórios e as instalações complementares;
e) Cálculo hidráulico onde conste os critérios de dimensionamento adoptados e o dimensionamento das redes,
equipamentos e instalações complementares previstas;
f) Mapas de medição e orçamento a preços correntes,
das obras a executar;
g) Peças desenhadas dos traçados e instalações complementares, com indicação dos materiais das canalizações
e acessórios utilizados, obedecendo às escalas a saber:
• Plantas - 1:500;
• Perfis - 1:500 em extensão e 1:50 em altimetria;
• Pormenores - à escala conveniente que esclareça
inequivocamente o pretendido.
Os elementos descritos serão apresentados em original,
acrescidos de duas cópias para os elementos referidos nas
alíneas b) a g).
As peças escritas devem ser apresentadas dactilografadas
ou impressas em folhas de formato A4, paginadas e todas
elas assinadas, no original, pelo técnico responsável pelo
projecto. As peças desenhadas devem ser apresentadas,
em tela plástica, com formatos e dobragem concordantes
com o estipulado nas Normas Portuguesas NP48 e NP49,
não excedendo as dimensões do formato A0. Os caracteres
alfanuméricos devem obedecer à Norma Portuguesa NP89.
Todos os desenhos devem possuir legenda no canto inferior
direito, respeitando a Norma Portuguesa NP204 e contendo,
no mínimo, a seguinte informação:
a) Designação e local da obra, indicando se se trata de
obra nova, de ampliação ou remodelação;
b) Identificação do proprietário;
c) Nome, qualificação e assinatura do autor do projecto;
d) Número, descrição do desenho, escalas e data da sua
elaboração;
e) Especificação quando se trata de projecto de alteração
ou aditamento;
f) Legenda específica das redes representadas.
9.2.5 Entrada em serviço dos sistemas
A entrada em serviço dos sistemas deve ser precedida da
verificação, pelos Serviços Municipalizados Águas e
Saneamento do Porto, dos aspectos de saúde pública e de
protecção do ambiente. Nenhum sistema de distribuição
de água pode entrar em funcionamento sem que tenha
sido feita a desinfecção e a vistoria final de todo o sistema
(Art.º 264º).
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
9.3 Sistema de abastecimento predial
de água
9.3.2 Elementos dos sistemas
9.3.1 Aspectos gerais
"As canalizações instaladas à vista ou visitáveis devem ser
identificadas consoante a natureza da água transportada e
de acordo com o sistema de normalização vigente." (Art.º 75º).
Todos os edifícios novos, remodelados ou ampliados deverão
prever redes prediais de abastecimento de água, independentemente da existência ou não das redes públicas no
local (Art.º 4º), sendo obrigatória a ligação às redes públicas
de abastecimento de água e de drenagem de águas residuais
domésticas, quando existam ou venham a ser instaladas.
As redes prediais a instalar, mesmo que nos locais onde não
existam redes públicas deverão ser executadas de modo a
permitir, no futuro, a sua fácil ligação àquelas redes. Deste
modo, a rede de distribuição predial de água deve assegurar
o seu bom funcionamento, preservando-se a segurança, a
salubridade e o conforto nos edifícios.
Os sistemas prediais de abastecimento de água devem
garantir que a mesma chegue a todos os dispositivos de
utilização, sempre que necessário, em quantidade e qualidade adequadas ao uso.
A terminologia e a simbologia a utilizar e as unidades em
que são expressas as diversas grandezas devem respeitar as
directivas estabelecidas neste domínio. Assim a terminologia
e a simbologia a adoptar serão as indicadas nos anexos I, II,
III, VIII e XI ao Regulamento.
A rede predial a projectar e executar deve ainda oferecer a
garantia de que a água a fornecer aos sistemas prediais
deverá ter em consideração aspectos, quer de qualidade
quer de defesa da saúde pública.
Assim, os sistemas prediais alimentados pela rede pública
devem ser independentes de qualquer sistema de distribuição de água com outra origem, nomeadamente poços
ou furos, como dispõem que:
"Os sistemas prediais alimentados pela rede pública devem
ser independentes de qualquer sistema de distribuição de
água com outra origem, nomeadamente poços ou furos
privados." (Art.º 73º).
"Não é permitida a ligação entre a rede predial de distribuição de água e as redes prediais de drenagem de águas
residuais." e "O fornecimento de água potável aos aparelhos
sanitários deve ser efectuado sem pôr em risco a sua
potabilidade, impedindo a sua contaminação, quer por
contacto, quer por aspiração de água residual em caso de
depressão." (Art.º 76º).
"...a utilização de água não potável exclusivamente para
lavagem de pavimentos, rega, combate a incêndios e fins
industriais não alimentares,... 2 - As redes de água não
potável e respectivos dispositivos de utilização devem ser
sinalizados." (Art.º 77º).
Para que não venham a ocorrer utilizações indevidas das
diversas redes prediais impõe-se que:
Assim, as canalizações instaladas à vista devem ser identificadas consoante a natureza da água transportada, de
acordo com as seguintes cores: azul para água destinada ao
consumo humano; encarnado para água de combate a
incêndios.
Também no sentido de garantir adequada qualidade e o
respeito da saúde pública impõem a necessidade de cuidados
na escolha dos materiais.
Todos os materiais a aplicar em sistemas de distribuição,
peças acessórias e dispositivos de utilização, devem ser
isentos de defeitos e, pela própria natureza ou por
protecção adequada, devem apresentar boas condições de
resistência à corrosão, interna e externa, e aos esforços a
que vão ficar sujeitos.
"1- As tubagens e acessórios que constituem as redes interiores
podem, entre outros, ser de cobre, aço inoxidável, aço galvanizado ou PVC rígido, este último no caso de canalizações de
água fria não afectas a sistemas de combate a incêndios.
2- Nas redes exteriores de água fria, as tubagens e acessórios
podem ser de ferro fundido, polietileno ou PVC rígido"
(Art.º 90º).
Os materiais a utilizar nas tubagens e peças acessórias dos
sistemas de distribuição devem ser aqueles cuja aplicação
seja admitida pelos SMAS - Porto, como responsável pelo
abastecimento e distribuição pública de água.
A aplicação de novos materiais ou processos de construção
para os quais não existam especificações oficialmente
adoptadas nem suficiente prática de utilização, deve ser
sujeito a verificação de conformidade pelo LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil e a fazer presente
junto dos SMAS Porto.
Também, os instaladores (picheleiros) devem proceder a
sua inscrição nos SMAS para que possam assumir a responsabilidade de execução de instalações prediais.
9.3.3 Concepção dos sistemas
A rede de distribuição de água parte de um ponto da rede
pública. A localização desta conduta exterior bem como a
posição prevista para o contador são a "ponta da meada" a
partir da qual se faz o desenvolvimento da rede interior.
Numa primeira fase de abordagem a concepção de um
sistema de abastecimento predial devem colocar-se as
seguintes questões fundamentais:
137
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
1. Existe rede pública? Onde?
2. Secção e pressões disponíveis?
3. Há escassez de água ou interrupções de fornecimento
com frequência?
4. Que dimensão tem o edifício? Existem caves?
5. Qual o tipo de ocupação?
6. Torna-se necessário prever reservatórios? Os serviços locais
permitem? Em que condições? Sua capacidade e localização? Formas de drenagem de perdas e esvaziamento?
7. Precisa de equipamento elevatório de bombeamento?
Atravancamento e acessibilidade à câmara de manobras?
8. É necessária rede de combate a incêndio? De que tipo?
9. Previsão do fornecimento de água quente: a que zonas
e de que modo?
10. Na remodelação ou ampliação de sistemas existentes
com aumento de caudal de ponta? Comprova-se a suficiência da capacidade hidráulica de transporte das
canalizações e das eventuais instalações complementares a montante, sem prejuízo das condições de
funcionamento do sistema na sua globalidade?
Por fim, sempre será de realçar que a concepção de sistemas
prediais de distribuição de água deve ter como objectivo a
resolução de problemas numa perspectiva global, técnica e
económica, coordenada com a arquitectura, a estrutura e as
restantes instalações especiais da edificação.
9.3.4 Classificação dos sistemas
Ao colocarmos correctamente as questões acima enunciadas
somos muitas vezes levados a constatar que nem sempre
os sistemas públicos permitem que o abastecimento se
efectue directamente da rede geral de distribuição em
condições de pressão e caudal necessários a garantir uma
utilização com a qualidade e quantidade adequadas.
Neste sentido, o regulamento apresenta condicionantes que
podem permitir efectuar uma primeira abordagem ao tipo
de sistema de alimentação predial, ao consagrar que:
"e) A pressão de serviço em qualquer dispositivo de utilização
predial para o caudal de ponta não deve ser, em regra, inferior
a 100Kpa o que, na rede pública e ao nível do arruamento,
corresponde aproximadamente a
H=100+40n
"Onde H é a pressão mínima (Kpa) e n o número de pisos
acima do solo, incluindo o piso térreo..." - (Art.º 21 º).
"2 - As pressões de serviço nos dispositivos de utilização
devem situar-se entre os 50 Kpa e 400 Kpa, sendo recomendável, por razões de conforto e durabilidade dos materiais,
que se mantenha entre 150 Kpa e 300 Kpa." (Art.º 78º).
138
Dentro desse contexto, poderemos ter sistemas com
abastecimento directo ou indirecto. O abastecimento directo
será garantido sempre que as condições de abastecimento
público apresentem pressão e/ou caudal que permitam nas
condições de conforto definidas no projecto o abastecimento
em permanência. Caso contrário, ou seja, falta de pressão
ou falta de caudal deverá optar-se por sistemas de abastecimento indirecto com reservatório elevado quando a
pressão disponível possibilita em certos períodos diários a
reposição da reserva necessária e por sistema elevatório,
com reservatório inferior sempre que a pressão não seja de
molde a garantir a reposição da reserva durante o período
diário de 24 horas ao nível mais elevado do edifício.
SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
Na escolha do sistema há que atender:
a) À pressão disponível na rede geral de alimentação e à
necessidade nos dispositivos de utilização;
b) Ao tipo e número de dispositivos de utilização;
c) Ao grau de conforto pretendido;
d) À minimização de tempos de retenção da água nas
canalizações.
Sempre que a rede pública não puder assegurar as pressões
necessárias deverá ser prevista uma instalação sobrepressora
com tanque de compensação.
Para que se possa efectuar esta verificação preliminar do
sistema mais adequado de abastecimento predial, dando
também resposta a algumas das questões já referidas deve
obter-se junto dos SMAS Porto a informação sobre as
condições de abastecimento da rede pública no local onde
se pretende executar a edificação, ou seja, "… os valores das
pressões máxima e mínima na rede pública no ponto de
inserção naquela." (Art.º 83º).
139
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
Pedido de informação das condições de ligação às redes públicas
LIGAÇÕES ÀS REDES PÚBLICAS
Planta Topográfica
P.T. n. º
/ 2005
Local da obra: Rua
Freguesia:
Requerente:
REDES PREDIAIS DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA
Pressão estática
MPa
Pressão dinâmica
MPa
REDE PÚBLICA - PRESSÕES
REDES DE INCÊNDIO
As redes de combate a incêndio deverão ser dimensionadas e representadas em projecto.
REDE PREDIAL DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS DOMÉSTICAS
A câmara de ramal de ligação deverá situar-se no local assinalado na P.T., à profundidade de
m.
Deverá atender ao Regulamento dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e Drenagem de Águas Residuais
Domésticas dos Serviços Municipalizados de Águas e Saneamento da Câmara Municipal do Porto, ao Decreto-Regulamentar 23/95. Agosto e ainda à legislação específica relacionável com os projectos em causa.
Porto,
O Chefe de Divisão
140
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
9.3.5 Dimensionamento dos sistemas
prediais
Nos projectos relativos à distribuição predial de água devem
indicar-se nas peças desenhadas os tipos e localização dos
dispositivos de utilização, bem como os aparelhos alimentados.
Os caudais instantâneos a atribuir aos dispositivos de utilização devem estar de acordo com o fim específico a que
se destinam, sendo os valores mínimos a considerar, os
constantes do quadro anexo ao Regulamento.
Os caudais instantâneos a atribuir a máquinas industriais e
outros aparelhos são especificados no quadro anexo ao
Regulamento e devem ser estabelecidos em conformidade
com as indicações dos fabricantes.
Face à possibilidade do funcionamento não simultâneo da
totalidade dos dispositivos de utilização, considera-se na
determinação do caudal de cálculo, o coeficiente de simultaneidade mais adequado numa dada secção.
O coeficiente de simultaneidade é a relação entre o caudal
simultâneo máximo (caudal de cálculo) e o caudal acumulado (somatório dos caudais instantâneos) de todos os
dispositivos de utilização alimentados por essa secção. No
anexo do Regulamento apresenta-se uma curva que, tendo
em conta os coeficientes de simultaneidade, fornece os
caudais de cálculo, para um nível de conforto médio, em
função dos caudais acumulados, que pode ser utilizada
para os casos correntes de habitação sem fluxómetros.
Para outro tipo de conforto ou de utilização (estabelecimentos, restaurantes, escolas, etc.) deve ser o coeficiente
de simultaneidade determinado por recurso a informações
existentes ou a bibliografia específica. Contudo, quando
existem fluxómetros, os caudais de cálculo devem ser obtidos
somando aos caudais obtidos para os restantes aparelhos,
através da curva referida acima, os caudais de cálculo dos
fluxómetros, considerando os respectivos caudais instantâneos e a simultaneidade constante do quadro seguinte:
Número de fluxómetros
instalados
Em utilização simultânea
1
1
2 a 10
2
11 a 20
3
21 a 50
4
Superior a 50
5
9.4 Sistemas prediais de distribuição de
água fria
9.4.1 Aspectos gerais
A rede predial de água fria deve assegurar a sua distribuição
a todos os dispositivos instalados em boas condições. Os
caudais de cálculo na rede predial de água fria baseiam-se
nos caudais instantâneos atribuídos aos dispositivos de
utilização e nos coeficientes de simultaneidade.
Para efeitos de cálculo da rede predial devem ser obtidos e
são fornecidos, como acima já se referiu, os valores das
pressões máximas e mínimas na rede pública no ponto de
inserção daquela.
9.4.2 Dimensionamento hidráulico
No dimensionamento hidráulico da rede predial de água
fria deve ter-se em atenção:
a) Os caudais de cálculo;
b) As velocidades de escoamento, que devem situar-se
entre 0,5 e 2,0m/s;
c) A rugosidade do material.
Nos ramais de alimentação de fluxómetros para bacias de
retrete devem ter-se em atenção as pressões mínimas de
serviço a cujos valores correspondem os diâmetros constantes
do quadro seguinte:
Pressão (kPa)
Diâmetro (mm)
200
25
80
32
50
40
9.4.3 Reserva predial de água para
abastecimento doméstico
O armazenamento de água para o consumo humano em
edifícios é normalmente autorizado pelos SMAS Porto, no
caso em que a rede pública não garanta eficazmente os
consumos e pressões prediais requeridas. Prevendo-se a
instalação de reservatórios estes são condicionados, por
razões de defesa de saúde pública dos utentes, à renovação
na sua totalidade com periodicidade de pelo menos uma
vez por dia, ou seja, o cálculo do volume útil dos reservatórios destinados ao consumo humano não deve, excepto
em casos devidamente justificados, exceder o valor
correspondente ao volume médio diário do mês de maior
consumo, para a ocupação previsível. Os reservatórios de
água para consumo humano devem também ser sujeitos a
operações de inspecção e limpeza periódica.
141
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
O armazenamento de água para combate a incêndios é
feito em reservatórios próprios e independentes e não pode
por princípio ser utilizado para outros fins.
A localização dos reservatórios deve permitir a sua fácil
inspecção e conservação. Quando o armazenamento da
água se destina a consumo humano, os reservatórios
devem ter protecção térmica e estar afastados de locais
sujeitos a temperaturas extremas.
Como condições construtivas a ter em consideração realça-se
que: os reservatórios devem ser impermeáveis e dotados de
dispositivos de fecho estanques e resistentes; as arestas
interiores devem ser boleadas e a soleira ter a inclinação
mínima de 1% para a caixa de limpeza, a fim de facilitar
o esvaziamento; nos reservatórios com água destinada a
consumo humano e com capacidade útil igual ou superior a
2,0 m3 devem ser constituídos, pelo menos, por duas células,
preparadas para funcionar separadamente mas que, em
funcionamento normal, se intercomuniquem; sistema de
ventilação, convenientemente protegido com rede de
malha fina, tipo mosquiteiro, de material não corrosivo, que
deve impedir a entrada de luz directa e assegurar a renovação frequente do ar em contacto com a água; a soleira e
as superfícies interiores das paredes devem ser tratadas
com revestimentos adequados que permitam uma limpeza
eficaz, a conservação dos elementos resistentes e a
manutenção da qualidade da água; a entrada e saída da
água nos reservatórios devem estar posicionadas de modo
a facilitar a circulação de toda a massa de água armazenada
e o fundo e a cobertura dos reservatórios não devem ser
comuns aos elementos estruturais do edifício, nem as
paredes comuns a paredes de edificações vizinhas. Cada
reservatório ou célula de reservatório deve dispor de:
a) Entrada de água localizada, no mínimo a 50 mm
acima do nível máximo da superfície livre do reservatório em descarga, equipada com uma válvula de
funcionamento automático, destinada a interromper
a alimentação quando o nível máximo de armazenamento for atingido;
b) Saídas para distribuição, protegidas com ralo e colocadas, no mínimo, a 150 mm do fundo;
c) Descarregador de superfície colocado, no mínimo, a
50 mm do nível máximo de armazenamento e conduta
de descarga de queda livre e visível, protegida com
rede de malha fina, tipo mosquiteiro, dimensionados
para um caudal não inferior ao máximo de alimentação do reservatório;
d) Descarga de fundo implantada na soleira, com válvula
adequada, associada a caixa de limpeza;
e) Acesso ao interior com dispositivo de fecho que
impeça a entrada de resíduos sólidos ou escorrências.
Os reservatórios podem ser de betão, alvenaria de tijolo
ou de blocos de cimento, aço ou outros materiais que se
mostrem adequados a manter a qualidade da água
armazenada e os materiais e revestimentos usados na sua
construção não devem alterar a qualidade da água afectando
a saúde pública.
RESERVATÓRIOS DE ÁGUA POTÁVEL
ESQUEMA-TIPO DE UM RESERVATÓRIO
Regras principais:
1. Reserva para 24 horas; 2. ≥2 células para manutenção ou reparação; 3. Localização em zona técnica acessível; 4. Independência da
restante estrutura; 5. Isolamento térmico quando necessário; 6. Condições de acesso e de inspecção; 7. Tampa sobre a válvula de bóia;
8. Envolvente protegida contra escorrimentos e infiltrações; 9. Limpeza interior/evitar ângulos apertados; 10. Pintura interior de protecção;
11. Aberturas para ventilação; 12. Soleira com pendente de igual superior a 1%; 13. Rebaixo para retenção de areias; 14. Descargas de
fundo com válvula; 15. Descarga de superfície; 16. Caleira nas proximidades; 17. Alarme/detecção de fugas de água; 18. Protecção de
aberturas com rede mosquiteiro; 19. Equipamento /acesso e atravancamento; 20. Entrada e saída da água em pontos opostos.
Fig. 1 - Esquema tipo de um reservatório
142
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
Também a manutenção periódica dos reservatórios é aspecto importante a ter em consideração, nomeadamente, a sua
limpeza e desinfecção, pelo que os SMAS Porto apresentam instruções de actuação para a execução dessas operações.
"Instruções para desinfecção de cisternas/depósitos"[1]
Se na sua casa houver depósito/cisterna, tenha os seguintes cuidados:
- Instale-o sempre em local de fácil acesso, limpo e arejado;
- Nunca o deixe sem tampa adequada ou devidamente protegido.
Lave-o pelo menos uma vez por ano da seguinte forma:
- Esvazie-o totalmente, retirando todos os detritos e lodo que eventualmente contenha;
- Escove cuidadosamente as paredes, o fundo e a abertura, utilizando preferencialmente, escovas só para esse fim;
- Enxagúe todo o interior e esvazie-o de novo;
- Proceda à desinfestação do depósito/cisterna:
- Deixe entrar água limpa até cerca de metade da sua altura;
- Junte hipoclorito de sódio a 14% (à venda em drogarias). Atendendo à capacidade do depósito/cisterna, adicione
por cada m3 de água, 20ml do referido hipoclorito;
- Encha completamente e mantenha em repouso, sem consumir, durante pelo menos meia hora;
- Volte a esvaziar, abrindo todas as torneiras de serviço e enxagúe para eliminar completamente o hipoclorito.
- Após esta operação o depósito/cisterna está pronto a receber a água que é distribuída."
[1]
Fonte: "Documento Auxiliar de Procedimentos"; SMAS - Porto, Laboratório de Análises; Edição nº1; Revisão nº0; Página 1 de 1.
9.4.4 Instalações elevatórias e
sobrepressoras
9.4.4.1 Aspectos gerais
No quadro seguinte apresentam-se os tipos de bombas
correntes no mercado e suas principais aplicações.
Tipos de bombas
Aplicações
Monocelulares
verticais
Abastecimento de água, circulação e transferência de água, serviços industriais, pressurização, agricultura, etc.
Abastecimento de água, serviços industriais,
irrigação e circulação de água em sistemas,
pressurização, etc.
Multicelulares
horizontais
Elevação, pressurização e circulação de água,
agricultura, etc.
Multicelulares
verticais
Abastecimento de água, circulação e pressurização, serviços industriais, irrigação, instalações especiais, transferência de líquidos, etc.
Circulação de líquidos em circuitos de aquecimento abertos ou fechados, e circuitos de
arrefecimento e de ar condicionado.
Abastecimento de água, captação de águas
subterrâneas, transferência de líquidos, rebaixamento de aquíferos, sistemas de rega, etc.
Drenagem de águas residuais, esvaziamento
de reservatórios e piscinas, rebaixamento de
aquíferos, agricultura, etc.
Monocelulares
horizontais
Circuladoras
Submersíveis
De drenagem
(submersíveis)
Jockey
Abastecimento de água em condições de
pequeno débito e elevada pressão.
No dimensionamento das instalações elevatórias devem
ter-se em atenção:
a) O caudal de cálculo;
b) A pressão disponível a montante;
c) A altura manométrica;
d) O número máximo admissível de arranques por hora
para o equipamento a instalar;
e) A instalação, no mínimo, de dois grupos electrobomba
idênticos, normalmente destinados a funcionar como
reserva activa mútua e excepcionalmente em conjunto
para reforço da capacidade elevatória.
As instalações elevatórias ou sobrepressoras devem ser
localizadas em zonas comuns e ventiladas, que permitam
uma fácil inspecção e manutenção e ser equipadas com
grupos electrobomba e dotadas de dispositivos de comando,
assim como protecção contra o choque hidráulico, de
segurança e de alarme, e de acessórios indispensáveis ao
seu funcionamento e manutenção. Os grupos electrobomba
devem ser de funcionamento automático e possuir características que não alterem a qualidade da água. Os dispositivos de protecção devem ser definidos em função das
envolventes de pressão máxima e mínima, resultantes da
ocorrência de choque hidráulico.
O funcionamento dos órgãos electromecânicos deve determinar, nos lugares ocupados, ruído de nível sonoro médio
não superior a 30 dB(A); para o efeito deverão ser utilizados
apoios isolados e ligações elásticas às tubagens para
atenuação da propagação do ruído.
As canalizações e acessórios utilizados devem ser de materiais
de resistência adequada às pressões de serviço e às vibrações.
143
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
9.4.4.2 Potência absorvida pela bomba
A determinação da potência absorvida pela bomba que
garanta o abastecimento solicitado é dada por:
P = γQH
P- Potência; γ- Peso volúmico; Q- Caudal; H- Altura de elevação.
A potência absorvida pela bomba tem de ser superior à que
esta cede ao escoamento, devido às perdas nas transformações de energia em presença. Designando por Hc a carga à
entrada na bomba, a qual traduz o trabalho exterior
fornecido por um motor; por Hs a carga à saída da bomba, a
qual traduz o ganho energético do líquido na sua passagem
pela bomba; por η o rendimento da bomba, o qual traduz
a relação entre a potência ganha e a do motor e assume
sempre valores inferiores à unidade. Temos então que a
diferença entre Hs e Hc que corresponderá ao ganho de
pressão que o líquido sofrerá na sua passagem pela bomba,
o qual irá ser representado por HTOTAL e será designado por
altura manométrica, sendo assim a potência absorvida pela
bomba expressa por:
TENSÃO DE VAPOR DE ÁGUA FUNÇÃO DA TEMPERATURA
Temperatura
(°C)
10
20
30
50
80
100
Altura
equivalente
da tensão
de vapor (m)
0,13
0,24
0,43
1,26
4,83
10,33
O factor de segurança "a" da expressão procura superar, quer
as imprecisões na determinação das perdas de carga no troço
de tubagem de aspiração, quer as variações de pressão.
9.4.4.3.2 Altura manométrica total
A altura total desenvolvida pela bomba pode ser expressa
por uma das seguintes equações:
Bomba funcionando em aspiração:
Htotal = hd + hs + fd + fs + (υ2/2g)
ou
P= γQHTOTAL / η
P- Potência (W); γ- Peso volúmico (N ); Q - Caudal bombeado
(m3s-1); HTOTAL- Altura manométrica (m) = Haspiração + Hcompressão;
η- Rendimento da bomba (entre 60% a 70%).
m-3
Bomba funcionando em carga:
Htotal = hd - hs + fd + fs + (υ2/2g)
em que:
9.4.4.3 Altura manométrica
9.4.4.3.1 Altura máxima de aspiração
A altura de aspiração representa o ganho de pressão que o
líquido sofre na sua passagem, pela bomba.
Assim, a altura máxima de aspiração de uma bomba será
calculada de acordo com a expressão:
HMA = Patm/γ- [NSPH + Ja + Pv/γ + a]
hd é a altura estática de descarga (em metros) igual à
distância medida na vertical entre o eixo da bomba e o nível
do líquido no reservatório de descarga.
hs é a altura estática de aspiração (em metros) igual à
distância entre o nível do líquido no reservatório de aspiração e o eixo da bomba.
HMA- Altura máxima de aspiração (m); Patm/γ- Altura
equivalente à pressão atmosférica (m); NSPH- Capacidade
de aspiração (m); Ja- Perda de carga no troço de tensão de
vapor do líquido (m); Pv/γ- Altura equivalente da tensão de
vapor do líquido (m); a- Factor de segurança (m).
Nota: Este valor é positivo ou negativo consoante a bomba
funcione em aspiração ou com a aspiração em carga.
Sendo a pressão atmosférica normal é igual a 1,013x102kPA,
considerando que o fluido bombeado é água, a que corresponde um peso volúmico de 9,8x103 N/m3, teremos que a
altura equivalente à pressão atmosférica será igual a 10,33m.
fs corresponde a perdas de carga na tubagem de aspiração
(m.c.a.)
No que se refere à altura equivalente de tensão de vapor
(pv/γ), esta varia com a temperatura do líquido; para a água,
no quadro indicam-se alguns valor Hatm = Patm/γ, em função
das temperaturas indicadas.
144
Htotal é a altura vencida pela bomba funcionando com o
caudal de projecto (m.c.a.).
fd corresponde a perdas de carga na tubagem de descarga
(m.c.a.)
2
u
2g
corresponde ao valor das perdas de carga na saída
(m.c.a.)
Nota: Geralmente as perdas de carga na saída (υ2/2g)
representam uma pequena percentagem do valor da altura
manométrica total e são geralmente negligenciáveis.
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
9.4.5 Dimensionamento dos reservatórios
hidropneumáticos
Os reservatórios hidropneumáticos são dimensionados
tomando por base a "Lei de Boyle-Mariotte", a qual refere
que o volume ocupado por uma dada massa de gás,
mantendo constante a temperatura, varia na razão inversa
das pressões que suporta, e que é expressa por:
P1V1 = P2V2= c
em que P1 e P2 representam as pressões de sujeição, V1 e V2
os correspondentes volumes ocupados e c é uma constante
(constante dos gases perfeitos).
Considerando o reservatório representado na figura, onde
Pmáx representa o nível máximo de água a que corresponde
a pressão de paragem do elemento de bombeamento, Pmin
representa o nível mínimo a que corresponde a pressão de
arranque do elemento de bombeamento, Vamin o volume de
ar a que corresponde a pressão mínima, Vamax o volume de ar
a que corresponde a pressão máxima, Vágua o volume de
água a introduzir no reservatório e Vr o volume de reserva
ou segurança.
Os reservatórios hidropneumáticos são importantes em
edifícios de habitação, pois ao limitarem o número de
arranques por hora podem, se adequadamente dimensionados, permitir que em utilização normal os sistemas
elevatórios não funcionem em períodos nocturnos de
pequenos consumos evitando os ruídos e vibrações que
tanto incomodam e são objecto de justas reclamações
pelos habitantes dos respectivos edifícios. Em situações de
edifícios de habitação, de serviços, industriais e similares
(unidades hoteleiras, unidades de saúde, centros comerciais,
etc.) justificam-se soluções de instalação de sistemas
elevatórios de velocidade e caudal variável, que proporcionem economias numa relação de poupança energética/eficiência do sistema, como alternativa aos reservatórios hidopneumáticos.
9.5 Sistemas prediais de distribuição de
água quente
9.5.1 Aspectos gerais
Far-se-á, de seguida, uma abordagem dos sistemas prediais
de abastecimento de água quente sanitária. Estes sistemas
visam garantir o fornecimento de água quente nas condições
de temperatura, quantidade e qualidade adequadas ao uso
sanitário. Importante é considerar as condições técnicas
que determinam a sua utilização, incluindo a questão da
recirculação e isolamento térmico.
Os sistemas de produção e distribuição de água quente
devem garantir as temperaturas mínimas de utilização
necessárias nos dispositivos de utilização em função do
grau de conforto e economia desejados, recorrendo, se
necessário, à circulação forçada ou retorno.
Fig. 2 - Reservatório hidropenumático
Vtotal = {Vágua (Pmáx + 1)} / {0,8 (Pmáx - Pmin)}
O objectivo dos depósitos hidropneumáticos é o de limitar
o número horário de arranques dos grupos de sobrepressão,
tendo em atenção o caudal de bombeamento e os limites de
pressão pré-estabelecidos. As fórmulas empíricas permitem
a determinação dos volumes totais dos depósitos respectivamente para os depósitos sem membrana e com membrana,
tendo em conta os factores já mencionados.
Vtotal = {1,25Qp (Pmáx + 10)} / {4N(Pmáx - Pmin)}
Nos edifícios de habitação é sempre obrigatória a existência
de sistemas de produção e distribuição de água quente a
cozinhas e instalações sanitárias. A rede predial de água
quente visa assegurar a distribuição em boas condições de
água quente sanitária.
Os caudais de cálculo da rede predial de água quente
devem ser obtidos de acordo com o disposto para a água fria.
No dimensionamento hidráulico da rede predial de água
quente deve seguir-se o disposto para a água fria mas ter
em consideração um coeficiente de rugosidade menor, logo
menor perda de carga.
Vtotal = {Qp Pmáx } / {4N Pmáx - (Pmin-2)}
9.5.2 Aparelhos produtores de
água quente
Vtotal- volume do depósito (m3); Qp- caudal bombeado (m3/h);
Pmáx- pressão manométrica máxima (m.c.a.); Pmin- pressão
manométrica mínima (m.c.a.); N- número de arranques por
hora.
É importante que o sistema de aquecimento de água seja
definido já na fase de projecto, uma vez que sua instalação
adequada exige certos cuidados que interferem directamente no desenho do projecto, tal como nas instalações
eléctricas, hidráulicas e de ventilação.
145
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
A segurança dos aparelhos produtores de água quente deve
ser garantida na sua construção, nos ensaios de qualidade
e na sua localização e instalação e é obrigatória a instalação
de válvula de segurança no ramal de alimentação de
termoacumuladores. Por razões de segurança é interdita a
instalação de aparelhos produtores de água quente a gás
nas instalações sanitárias ou em locais que se não situem
junto da envolvente exterior do edifício.
A escolha do sistema depende do tipo de energia a ser utilizado para aquecer a água: eléctrico, a gás ou solar. A partir
daí, é definido o sistema de alimentação dos equipamentos:
a) Por acumulação, em que a água aquecida fica
armazenada em acumuladores;
b) De passagem, em que a água é aquecida gradualmente, à medida em que passa pelo aparelho.
A produção de água quente para distribuição aos dispositivos de utilização pode fazer-se, consoante as características
do edifício de habitação, através de aparelhos de produção
instantânea (esquentadores) ou de aparelhos de acumulação (termoacumuladores eléctricos ou a gás e depósitos
de água quente com circuito primário de aquecimento) ou
ainda pela combinação de ambos.
As caldeiras murais são muitas vezes sistemas mistos que
combinam a produção de água quente para aquecimento
do ambiente (circuitos fechados) com a produção instantânea de água quente sanitária. Aqui, comportam-se como
vulgares esquentadores ou podem, através de um circuito
primário de aquecimento, promover a acumulação de água
quente em depósitos de água.
A escolha do sistema a instalar deve ser efectuada em
função das necessidades instantâneas e horárias de água
quente e da análise técnico económica das várias alternativas que se nos oferecem, o que pressupõe o conhecimento
das características térmicas dos aparelhos atrás referidos.
Deve ter-se ainda em atenção a necessidade de água
quente para outros fins (que não os sanitários), tais como o
aquecimento central ou a climatização.
9.5.3 Necessidades de água quente e escolha
dos aparelhos de produção
As necessidades instantâneas de água quente devem ser
estimadas a partir do somatório dos caudais instantâneos a
atribuir aos dispositivos de utilização servidos por água
quente, afectado de um coeficiente de utilização simultânea.
Os esquentadores apresentam-se no mercado com diferentes
potências, sendo as mais usuais de 250, 320 e 380 Kcal/min.
Se a temperatura da água fria for de 15°C à entrada no
esquentador e que se pretende água quente a 40°C, os valores
encontrados são os indicados no quadro, o que leva as
designações comerciais correntes dos esquentadores em
10, 13 e 16 l/min.
Potência Térmica
(kcal/min)
250
320
380
Débito de A.Q. a
40°C
∆t=40°-15°=25°C
250/25=
10 l/min
320/25=
12,8 l/min
380/25=
15,2 l/min
As potências dos termoacumuladores eléctricos são variáveis
consoante as suas capacidades e os tempos de aquecimento,
sendo esta última característica a que determina a designação vulgar de termoacumuladores de aquecimento lento,
normal e rápido.
Os termoacumuladores eléctricos correntes no mercado com
capacidade de 100 litros e apresentam uma das seguintes
potências: Aquecimento lento - 1000w; Aquecimento
normal - 1750w; Aquecimento rápido - 3000w.
Sendo a temperatura normal de acumulação de 60°C e para
uma mesma temperatura de 15°C de água fria, temos a
situação referida no quadro seguinte, considerando que
1KW = 0,864 Kcal.
Tipo de
Aquecimento
termoacululador
lento
Aquecimento
normal
Aquecimento
rápido
Potência (Kcal/h)
864
1512
2592
∆T=60°C-15°C
45°C
45°C
45°C
Caudal aquecido
864/45=19,2 1512/45=33,6 2592/45=57,6
em 1 hora (litros)
Tempo de
aquecimento de 100/19,2=5,2
100 litros (horas)
Fig. 3 - Esquema tipo de ligação a termoacumuladores
146
100/33,6=3,0
100/57,6=1,7
Os termoacumuladores a gás possuem potências térmicas
mais elevadas do que os eléctricos, o que permite aquecer o
mesmo volume de água em menos tempo ou reduzir a
capacidade do depósito de acumulação.
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
Um termoacumulador a gás com a potência de 14.100
kcal/h e considerando o diferencial térmico de 45°C entre
a temperatura de água fria e de água quente acumulada,
teremos por hora 313 l (14100kcal/h:45°C). A potência
deste termoacumulador é inferior à de um esquentador de
10 l/min (14100kcal/h=235kcal/min), o que se traduz num
consumo instantâneo menor de gás.
Como distâncias meramente indicativas para que se deva
ponderar a hipótese de adoptar, com vantagem económica
e conforto, o circuito de recirculação ou retorno apresenta-se
o quadro seguinte:
9.5.4 Sistemas de distribuição de água
quente com recirculação
A implementação em edifícios dos sistemas de distribuição
com retorno de água aos aparelhos de produção exige alguma
atenção pelas economias de água e energia que podem
proporcionar, bem como a qualidade e conforto que se
espera do sistema.
A rede de distribuição deve ser dimensionada até à última
derivação pelo método de dimensionamento definido pelo
regulamento.
Deve-se ter em consideração que as perdas de calor
na tubagem variam consoante o tipo de isolamento, o
diâmetro do tubo, o tipo de tubagem e a temperatura
ambiente nos locais em que circulam. Para tubos metálicos,
consideraram-se aceitáveis os valores seguintes para
perdas de calor em kcsl/h por metro linear de tubagem.
Fig. 5 - Distâncias máximas sem retorno
DIÂMETRO E DISTÂNCIA MÁXIMA SEM RETORNO
d (mm)
l (m)
15 (1/2'')
50
20 (3/4'')
30
25 (1'')
15
32 (1¼'')
10
40 (1½'')
7,5
9.6 Traçado
Diâmetro
Locais n/ aquecidos
Tubos isolados
Locais aquecidos
Tubos isolados
DN 15
16
13
9.6.1 Aspectos gerais
DN 20
23
16
DN 25
27
22
O traçado das canalizações deve ser constituído por troços
rectos, horizontais e verticais, ligados entre si por acessórios
apropriados, devendo os primeiros possuir ligeira inclinação para favorecer a saída do ar, recomendando-se 0,5%
como valor orientativo. A exigência de acessórios pode
ser dispensada nos casos em que se utilizem canalizações
flexíveis.
Por outro lado, para o dimensionamento das bombas de
recirculação deve-se determinar a perda de carga total do
circuito: às perdas de carga contínuas é necessário adicionar
as perdas de carga acidentais (curvas, tês, válvulas, etc.).
Seguidamente, a consulta e análise das curvas características das bombas é fundamental, com vista à sua selecção.
As canalizações interiores da rede predial de água fria ou
quente podem ser instaladas à vista, em galerias, caleiras
ou tectos falsos, embainhadas ou embutidas. As canalizações não embutidas são fixas por braçadeiras espaçadas
em conformidade com as características de material.
Devem ser tidos em consideração os problemas de
dilatação e contracção da tubagem, nomeadamente na
instalação de juntas e no tipo de braçadeiras a utilizar. Na
instalação de canalizações de água quente assume particular
importância as dilatações e contracções das tubagens.
Fig. 4 - Distribuição de água quente com recirculação
As canalizações exteriores da rede predial de água fria
ou quente podem ser enterradas em valas, colocadas em
paredes ou instaladas em caleiras, devendo ser sempre
protegidas de acções mecânicas e isoladas termicamente
quando necessário.
147
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
9.6.2 Isolamento das canalizações
As canalizações de água quente, mas também em zonas
de baixas temperaturas as de água fria; devem ser sempre
isoladas com produtos adequados, imputrescíveis, não
corrosivos, incombustíveis e resistentes à humidade.
Podem não ser isoladas as derivações para os dispositivos
de utilização e respectivos ramais de retorno, quando de
pequeno comprimento.
Valores de espessura de isolamento recomendados
Devem ainda ser consideradas medidas destinadas a atenuar
os fenómenos de corrosão, devendo para o efeito:
a) As canalizações metálicas da rede serem executadas,
de preferência com o mesmo material;
b) No caso de materiais diferentes, o material mais
nobre ser instalado a jusante do menos nobre, procedendo-se ao seu isolamento por juntas dieléctricas;
c) O assentamento de canalizações metálicas de redes
distintas ser feito sem pontos de contacto entre si ou
com quaisquer elementos metálicos da construção;
d) O assentamento de canalizações não embutidas ser
feito com suportes de material inerte, do mesmo
material, ou de material de nobreza próxima inferior;
e) O atravessamento de paredes e pavimentos ser feito
através de bainhas de material adequado de nobreza
igual ou próxima inferior ao da canalização;
f) As canalizações metálicas serem colocadas, sempre
que possível, não embutidas;
g) Ser evitado o assentamento de canalizações metálicas
em materiais potencialmente agressivos;
h) As canalizações enterradas serem executadas,
preferencialmente, com materiais não metálicos.
As tubagens e acessórios que constituem as redes interiores
de água fria podem ser de aço galvanizado, ferro fundido,
PVC rígido, cobre ou aço inoxidável ou outros adequados e
aprovados.
9.7 Elementos acessórios da rede
9.7.1 Torneiras e fluxómetros
Fig. 6 - Isolamento térmico de canalizações
As canalizações e respectivos isolamentos devem ser protegidos sempre que haja risco de condensação de vapor de
água, de infiltrações ou de choques mecânicos.
9.6.3. Execução das redes prediais
As canalizações de água quente devem ser colocadas,
sempre que possível, paralelamente às canalizações de água
fria e acima destas. A distância mínima entre canalizações
de água fria e de água quente é de 50 mm.
As canalizações não devem ser instaladas nas seguintes
condições:
a) Sob elementos de fundação;
b) Embutidas em elementos estruturais;
c) Embutidas em pavimentos, excepto quando flexíveis
e embainhadas;
d) Em locais de difícil acesso;
e) Em espaços pertencentes a chaminés e a sistemas de
ventilação.
148
As torneiras e fluxómetros devem ser colocados em locais
acessíveis, por forma a permitir a sua fácil manobra e
manutenção.
As torneiras e os fluxómetros podem ser de latão, com ou
sem revestimento cromado, ou de outros materiais que
reunam as necessárias condições de utilização.
9.7.2 Válvulas
As válvulas devem ser colocadas em locais acessíveis por
forma a permitir a sua fácil manobra e manutenção.
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
TIPO DE VÁLVULA
FINALIDADE
É OBRIGATÓRIA A SUA
INSTALAÇÃO:
SECCIONAMENTO Impedir ou estabelecer À entrada:
a passagem de água
- dos ramais de introem qualquer dos
dução individuais
sentidos
- dos ramais de distribuição das instalações
sanitárias e das
cozinhas
A montante:
- Autoclismos
- Fluxómetros
- Máquinas lavar roupa
- Máquinas lavar louça
- Equipamento produtor
de água quente
- Purgadores de água
A montante e
a jusante:
- Contadores
RETENÇÃO
9.7.3. Contadores
É aos SMAS, como entidade responsável pelo sistema de
distribuição pública de água, aquela que define o tipo, o
calibre e a classe metrológica do contador a instalar.
São, contudo, parâmetros que determinam a definição do
contador:
a) As características físicas e químicas da água;
b) A pressão de serviço máxima admissível;
c) O caudal de cálculo previsto na rede de distribuição
predial;
d) A perda de carga que provoca.
PERDAS DE CARGA EM CONTADORES
(VALORES APROXIMADOS EM METROS DE COLUNA DE ÁGUA - M.C.A.)
Impedir a passagem de A montante:
água num dos sentidos - Aparelhos produtores
- Acumuladores de
água quente
- De qualquer rede
não destinada a
fins alimentares
e sanitários
SEGURANÇA
REDUTORA DE
PRESSÃO
REGULAÇÃO
Manter a pressão
Na alimentação de
abaixo de determinado aparelhos produtores
valor por efeito de
- Acumuladores de
descarga
água quente
Fig. 7 - Perdas de carga em contadores
Manter a pressão
abaixo de determinado
valor com a introdução
de uma perda de carga
É obrigatório instalar um contador por cada consumidor,
garantindo-se a medição de todos os consumos, podendo
estes ser colocados isoladamente ou em conjunto, constituindo, deste modo, uma bateria de contadores.
Nos ramais de
introdução sempre
que a pressão seja
superior a 600Kpa e
ou as necessidades
específicas do equipamento o exijam.
Permitir regulação
do caudal
O espaço destinado ao contador ou bateria de contadores e
seus acessórios deve obedecer aos esquemas tipo apresentados pelos SMAS.
A localização dos contadores é a seguinte:
As válvulas podem ser de latão, bronze, aço e PVC, ou outros
e serem de material de nobreza igual ou tão próxima quanto
possível do material das tubagens em que se inserem.
- Nos edifícios confinantes com a via ou espaços públicos,
os contadores devem localizar-se no seu interior, na zona
de entrada ou em zonas comuns consoante se trate de um
ou de vários consumidores.
- Nos edifícios com logradouros privados, os contadores
devem localizar-se:
a) No logradouro junto à zona de entrada contígua com
a via pública, no caso de um só consumidor;
b) No interior do edifício, em zonas comuns ou no
logradouro junto à entrada contígua com a via pública,
no caso de vários consumidores.
149
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
9.8.2 Desinfecção dos sistemas
Os sistemas de distribuição predial de água para consumo
humano, incluindo os respectivos reservatórios quando
existirem, depois de equipados com os dispositivos de utilização e antes de entrarem em funcionamento, devem ser
submetidos a uma operação de desinfecção com permanganato de potássio, com a seguinte metodologia:
a) Preparação da solução desinfectante
Dissolver a quantidade de permanganato de potássio
necessária (150 gramas por cada m3 de volume da rede
a desinfectar) em água aquecida a uma temperatura
entre 40°C e 45°C, até conseguir uma solução o mais
homogénea possível. O volume da solução deve ser de
1/10 do volume da rede a desinfectar. Esta operação
deve ser feita na véspera do dia de início da desinfecção.
b) Enxaguamento prévio da rede
Esvaziar a rede através das torneiras de purga existentes
nos pontos mais baixos, encher de novo e esvaziar,
repetindo a operação durante cerca de 2 horas, para
assegurar uma limpeza eficaz.
c) Introdução da solução desinfectante
Fig. 8 - Instalação de contadores
9.8 Verificação, desinfecção e
funcionamento hidráulico
9.8.1 Verificação
Todas as canalizações, antes de entrarem em serviço,
devem ser sujeitas a verificação e ensaios com o objectivo
de assegurar a qualidade da execução e o seu funcionamento hidráulico.
A verificação da conformidade do sistema com o projecto
aprovado e com as disposições legais em vigor deve ser
feita com as canalizações e respectivos acessórios à vista.
d) Período de contacto
Manter a rede isolada durante um período de 48 horas,
a fim de o desinfectante poder actuar.
e) Enxaguamento final
O ensaio de estanquidade deve ser conduzido com as
canalizações, juntas e acessórios à vista, convenientemente
travados e com as extremidades obturadas e desprovidas
de dispositivos de utilização.
Abrir as torneiras pela ordem inversa da adoptada no
enchimento, isto é, de jusante para montante, deixando
sair a água durante cerca de 2 horas, em caudal razoável,
período este que, em princípio, será suficiente para a
lavagem final da rede.
O processo de execução e interpretação do ensaio é o seguinte:
f) Recolha de amostras
a) Ligação da bomba de ensaio com manómetro, localizada tão próximo quanto possível do ponto de menor
cota do troço a ensaiar;
b) Enchimento das canalizações por intermédio da
bomba, de forma a libertar todo o ar nelas contido e
garantir uma pressão igual a uma vez e meia a
pressão máxima de serviço, com o mínimo de 900 kPa;
c) Leitura do manómetro da bomba, que não deve acusar
qualquer redução, durante um período mínimo de 30
minutos;
d) Esvaziamento do troço ensaiado.
150
Através do ponto de injecção, introduzir a solução
desinfectante sob pressão com um caudal regulado em
função do caudal do escoamento fixado (1 parte da
solução para 9 partes da água em escoamento). Abrir,
de montante para jusante (do contador para as extremidades da rede) cada torneira até ao aparecimento da cor
violácea. Fechá-la de seguida e passar à seguinte.
Quando a cor violácea aparecer na última torneira,
fechá-la e parar a injecção da solução desinfectante.
Recolher amostras para análise laboratorial confirmativa da qualidade da água.
A desinfecção da rede predial só deve ser feita depois
de estabelecido e aprovado o ramal de ligação pela entidade responsável pelo sistema de distribuição pública
de água, e de forma que não seja possível qualquer
refluxo para a rede pública da solução desinfectante,
ou para qualquer outra rede predial interior, e que se
encontrem previamente desinfectados os órgãos situados
desde o ponto de injecção até ao ramal de ligação, inclusive este.
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
9.8.3 Prova de funcionamento hidráulico
A concluir deixa-se a indicação dos elementos que devem
instruir o processo de aprovação do projecto de redes
prediais (Art.º 304º).
As peças escritas devem ser apresentadas dactilografadas
ou impressas em folhas de formato A4, paginadas e todas
elas subscritas pelo técnico responsável pelo projecto. As
peças desenhadas devem ser apresentadas com formatos e
dobragem concordantes com o estipulado nas Normas
Portuguesas NP48 e NP49, não excedendo as dimensões do
formato A0. Os caracteres alfanuméricos devem obedecer à
Norma Portuguesa NP89. Todos os desenhos devem possuir
legenda no canto inferior direito, respeitando a Norma
Portuguesa NP204 e contendo, no mínimo, a seguinte informação:
Assim, o pedido de aprovação deve ser instruída com os
seguintes elementos:
a) Designação e local da obra, indicando se se trata de
obra nova, de ampliação ou remodelação;
Após os ensaios de estanquidade e a instalação dos dispositivos de utilização, deve verificar-se o comportamento
hidráulico do sistema por simples observação visual.
Conclusão
a) Requerimento subscrito pelo promotor, dirigido ao
Director Delegado dos Serviços Municipalizados
Águas e Saneamento do Porto, solicitando a aprovação do projecto;
b) Identificação do proprietário;
b) Termo de responsabilidade do técnico autor do projecto;
e) Especificação quando se trata de projecto de alteração;
c) Documento do Município comprovativo da aprovação
do projecto de arquitectura, quando for caso disso;
f) Legenda específica das redes representadas.
c) Nome, qualificação e assinatura do autor do projecto;
d) Número, descrição do desenho, escalas e data;
d) Documento donde conste as condições definidas pelo
Batalhão Sapadores Bombeiros;
e) Memória descritiva e justificativa, onde conste identificação do proprietário, natureza, designação e local
da obra, tipo da obra, descrição da concepção dos
sistemas, materiais e acessórios, e instalações complementares projectadas;
f) Cálculo hidráulico onde conste os critérios de dimensionamento adoptados e o dimensionamento das
redes, equipamentos e instalações complementares
projectadas;
g) Estimativa descriminada do custo, a preços correntes,
da obra específica a executar;
h) Planta de localização fornecida pelos Serviços
Municipalizados Águas e Saneamento do Porto, na qual
conste: Delimitação do terreno; Indicação do corpo ou
corpos que constituem as obras; Edificações existentes
no terreno, se as houver; Representação dos ramais
de introdução de água e de águas residuais domésticas
e Representação simplificada do colector predial;
i) Peças desenhadas dos traçados em plantas e cortes à
escala mínima 1:100, com indicação dos materiais e
acessórios das canalizações, dos diâmetros e inclinações das tubagens, dos órgãos acessórios e instalações complementares e dos respectivos pormenores
que clarifiquem a obra projectada;
j) Representação esquemática axonométrica da rede de
distribuição de água.
k) Os elementos acima referidos serão apresentados em
original e duas cópias para o referido nas alíneas b) a j).
151
Sistemas de Abastecimento Público e Predial no Porto
9.9 Referências bibliográficas
BACELLAR, H.R., Instalações Hidráulicas e Sanitárias. Ed.
São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1997
CANHA DA PIEDADE, A., RODRIGUES, A. Moret, e RORIZ, Luís
F., Climatização em Edifícios, Envolvente e Comportamento
Térmico, Edições Orion, Amadora, 2000
COELHO, António Leça, Segurança Contra Incêndios em
Edifícios de Habitação, Edições Orion, Amadora, 1998
MEDEIROS, Carlos, Regulamento dos Sistemas Públicos e
Prediais de Distribuição de Água e de Drenagem de Águas
Residuais (Anotado), Editorial FEUP, Porto, 1998
MEDEIROS, Carlos, Instalações de Edifícios, Editorial FEUP,
Porto, 2004
MEDEIROS, Carlos, Redes e Instalações em Edifícios,
Editorial Faculdade de Arquitectura, Porto, 2004
MACINTYRE, Archibald J., Manual de Instalações Hidráulicas
e Sanitárias, Livros Técnicos e Científicos Editora Rio de
Janeiro, 1990
MIRANDA, Angel Luis, Instalaciones, Grupo Editorial CEAC,
S.A., Barcelona, 1995
PEDROSO, Victor M. Ramos, Regras de Dimensionamento
das Redes Prediais de Distribuição de Água Residuais
Domésticas e Pluviais, LNEC, 1996
Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e de Drenagem
de Águas Residuais e Prediais de Distribuição de Água, 1995
152
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
10. SISTEMAS DE ABASTECIMENTO PÚBLICO
E PREDIAL EM LISBOA
Autor: Ana Amélia Santos
Engenheira Civil
Responsável do Departamento de Novos Abastecimentos
Área de Negócio de Distribuição
EPAL - Empresa Portuguesa das Águas Livres, S.A.
153
154
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
EPAL - Das origens à torneira do consumidor
A EPAL - Empresa Portuguesa das Águas Livres, SA é uma sociedade anónima de capitais integralmente públicos, detida a 100%
pela AdP - Águas de Portugal, cuja missão é o abastecimento de água para consumo humano, na sua área de influência e
eventualmente noutras áreas limítrofes, visando a prestação de um serviço de qualidade com respeito pelos aspectos essenciais de ordem social e ambiental, colocando as suas capacidades ao serviço do interesse nacional.
Pelo seu "know-how", modernidade das tecnologias utilizadas, qualidade dos serviços prestados e larga experiência, desempenha um papel fundamental para o desenvolvimento do sector da água quer nacional quer internacional, merecendo
referência a sua participação em projectos de âmbito internacional, quer individualmente quer integrada no Grupo
AdP - Águas de Portugal.
A EPAL é responsável por um sistema de produção, transporte e distribuição que se desenvolve ao longo de mais de 1 900 km,
cuja gestão é da responsabilidade de duas Áreas de Negócio distintas:
• Área de Negócio de Produção e Transporte responsável por todas as Captações, Estações de Tratamento e Adutores, que
garantem a produção e o transporte de água;
• Área de Negócio de Distribuição responsável pela gestão e manutenção da Rede Geral de Distribuição, afecta ao abastecimento domiciliário, no concelho de Lisboa.
Origem e qualidade de água
A EPAL abastece de água com qualidade cerca de 2,6 milhões de pessoas, de 26 concelhos da margem norte do rio Tejo,
correspondendo a área total abastecida a 5 443 Km2. Mantém relações contratuais com cerca de 335 mil clientes directos,
do concelho de Lisboa, onde assegura o abastecimento domiciliário.
As preocupações da EPAL não se centram somente ao nível da quantidade de água fornecida, mas principalmente ao nível
da qualidade.
Para assegurar a qualidade da água, esta é submetida a vários processos nas estações de tratamento: Pré-cloragem,
Remineralização e correcção de agressividade, Coagulação química e floculação/decantação, Filtração, Equilíbrio e ajuste do
pH e Desinfecção final com cloro gasoso.
Um dos objectivos primordiais da EPAL consiste na monitorização da qualidade da água em toda a extensão do seu sistema
de abastecimento, desde os recursos hídricos utilizados até ao ponto de entrega ao consumidor. Esta preocupação é de facto
histórica e está comprovada pelo estudo analítico mais antigo (1791) que se conhece sobre as águas do sistema de abastecimento de água à Cidade de Lisboa. O primeiro registo de resultados de análises bacteriológicas à água pela antiga Companhia
das Águas de Lisboa (CAL), remonta a 1897.
Actualmente, o Laboratório Central da EPAL orgulha-se de ser um dos melhores laboratórios de análises de água do país e da
Europa, dispondo para o efeito de técnicos especializados nas áreas de microbiologia, química orgânica e química inorgânica,
bem como de equipamentos analíticos de última geração.
155
156
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
10.1 Introdução
A presente comunicação pretende dar a conhecer:
• A concepção global dos sistemas de distribuição em Lisboa;
A EPAL é responsável por todo um sistema de produção
("alta") e distribuição ("baixa") que se desenvolve por mais
de 1900 Km, cuja gestão é da responsabilidade de duas
áreas de negócio distintas:
Área de Negócio de Produção e Transporte e Área de
Negócio de Distribuição;
• A concepção global dos sistemas prediais em Lisboa;
É também da responsabilidade da EPAL a aprovação, a
fiscalização bem como a ligação à rede de distribuição de
água de todos os sistemas prediais na cidade de Lisboa.
As regras da EPAL no que se refere à elaboração dos projectos
de redes prediais, abrangendo uma breve descrição do
Manual da EPAL publicado em Fevereiro 2002.
Em complemento, pretende também divulgar os aspectos
relevantes dum serviço de interesse público de relevante
impacto social, bem como divulgar os resultados alcançados
com o estabelecimento dessas mesmas regras.
A experiência da EPAL ilustra os benefícios da adopção e
divulgação de regras técnicas no âmbito interno, ou seja,
organização, eficiência e produtividade, bem como no
âmbito do serviço prestado ao requerente do processo de
abastecimento, como sendo, fiabilidade, segurança e qualidade do serviço, evidenciando como os resultados foram
efectivamente melhorados.
• Enquadramento legislativo.
Palavras - chave: sistema de produção e transporte, sistema
de distribuição, tratamento/qualidade de água, zonas de
distribuição, elevação, reserva, pressão, processo de
abastecimento, manual de redes prediais, qualidade de
serviço, satisfação do Cliente, melhoria contínua, legislação.
10.2 Concepção global dos sistemas de
distribuição em Lisboa
10.2.1 Aspectos gerais
O Sistema de Distribuição de água à cidade de Lisboa é um
sistema complexo quer pela sua extensão, cerca de 1 400
km de rede com diâmetros que variam entre os 80 e os
1500 mm, quer pela acentuada orografia da cidade, a qual se
estende desde o nível do rio Tejo até cotas superiores a 170 m.
Deste sistema depende cerca de 335 000 clientes com
contrato, localizados na cidade de Lisboa e para os quais se
utiliza em média, aproximadamente, 260 000 m3 de água
por dia, e directamente parte dos concelhos limítrofes designadamente Loures, Oeiras, Odivelas e Amadora.
Esgotada a capacidade máxima de transporte entre Vila
Franca de Xira e Lisboa através dos três adutores existentes,
Aqueduto Alviela, Tejo e Adutor V.F.Xira/Telheiras, projectou-se a construção do Adutor de Circunvalação, obra
planeada de forma a abastecer os concelhos adjacentes
desviando caudais da cidade de Lisboa.
A partir da entrada em funcionamento deste último adutor,
Abril de 2001, a Rede de Distribuição passou a estar sobre
dimensionada face às suas necessidades. Em termos gerais,
actualmente transitam pela rede de Lisboa com destino
aos concelhos limítrofes, 70 000m3/dia de água para
uma capacidade máxima efectiva de 300 000 m3/dia.
Acrescente-se ainda que nos últimos anos, apesar de pouco
significativo, tem-se verificado uma diminuição dos
volumes utilizados dentro da cidade.
10.2.2 Caracterização da rede de Lisboa
Em Lisboa, a Rede Geral de Distribuição, com cerca de 1 400
Km, é constituída por 15 reservatórios, 9 estações elevatórias, cerca de 11 mil válvulas com diâmetros nominais
variáveis entre 150 e 1 000 mm e 93 mil ramais de ligação
aos prédios, proporcionando o abastecimento domiciliário
numa área de 83 km2 que alberga uma população de 564
mil habitantes residentes. É abastecida pelo Aqueduto
Alviela, Aqueduto Tejo, Adutor Vila Franca-de-Xira/Telheiras
e pelo Adutor de Circunvalação, cujas capacidades de entrega
a Lisboa são, respectivamente, 35 mil m3/dia, 360 mil m3/dia,
240 mil m3/dia e 60 mil m3/dia.
A maior parte das condutas encontra-se aproximadamente
a 1,0 m de profundidade. Em certas situações especiais
e nos casos de maiores diâmetros, a profundidade das
condutas é de 2,5 m ou mesmo superior, atingindo 4 ou 5 m.
A rede de distribuição de Lisboa está digitalizada e reproduzida num sistema de informação geográfica, designado
Interáqua, precioso auxiliar das equipas de manutenção.
Neste sistema, além de permitir localizar todas as condutas
e órgãos da rede, são registadas todas as intervenções possibilitando a criação de uma base de dados relacionados com
a manutenção da rede.
Este sistema tem um interface com o sistema de gestão de
clientes para identificar os clientes cujo abastecimento
possa ser afectado, quer por suspensões provocadas por
obras de expansão ou renovação da rede, quer por roturas
casuais cuja reparação é assegurada por piquetes que actuam
24 horas por dia.
157
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
A EPAL tem em curso um programa de renovação da rede,
com substituição da rede mais antiga, cujo investimento é
na ordem dos 80 milhões de euros. Complementarmente
tem-se em desenvolvimento um sistema de apoio à decisão
- sistema integrado de medição, de modo a integrar e tratar
a informação sobre volumes de água utilizada em determinada malha de rede, nomeadamente, por zona de abastecimento, e a informação processada pelo sistema de clientes
que regista a água facturada. Este sistema de medição integrado tem como finalidade o acompanhamento da evolução
de perdas de água.
10.2.2.1 Princípios hidráulicos da rede
Os principais princípios a ter em conta na Rede de
Distribuição são:
• Estabilidade das pressões nos pontos de abastecimento
garantindo uma pressão mínima na soleira dos edifícios de 300 kPa e máxima de 600 kPa;
• Garantir a qualidade da água ao longo da rede;
• Reserva de água que garanta estabilidade no fornecimento e segurança em caso de incidentes;
• Existência de alternativas de abastecimento.
A Rede de Distribuição na cidade de Lisboa abastece os
clientes em patamares altimétricos, de 30 em 30 metros,
identificados por cores diferentes na figura seguinte:
Reservatório
Estação
Elevatória
Ponto de entrega
1 sentido
Ponto de entrega
2 sentidos
Fig. 1 - Esquema em planta representativo da rede de distribuição na cidade de Lisboa
158
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
Na figura anterior são também identificadas as estações
elevatórias e reservatórios que fazem parte integrante da
rede de distribuição, bem como todas as interligações ao
sistema de produção e transporte (distribuição em Alta).
O sistema de distribuição de água da EPAL na cidade de
Lisboa possui características muito próprias, no qual a água
é elevada directamente para a rede de distribuição.
Os reservatórios que garantem o abastecimento das zonas
altimétricas funcionam como reservatórios de extremidade
e localizam-se aproximadamente 30 metros acima dos
pontos de abastecimento mais elevados, da respectiva zona
altimétrica. Esta localização permite garantir uma pressão
na soleira do ponto de abastecimento entre os 300 kPa e
os 600 kPa.
St. Cruz
Fig. 2 - Diagrama altimétrico representativo da rede de distribuição na cidade de Lisboa
159
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
10.2.2.2 Caracterização dos materiais da rede
10.2.2.4 Identificação dos factores agressivos
O sistema da EPAL existe há mais de cem anos, tendo naturalmente ao longo da sua vida sido utilizados diversos
materiais, sendo os principais: o aço, betão pré-esforçado,
ferro fundido cinzento, ferro fundido dúctil e ferro galvanizado, fibrocimento, polietileno de alta densidade. A
predominância do ferro fundido cinzento, ferro fundido
dúctil, e do fibrocimento continua sensivelmente a representar um maior peso, tendo no entanto, o PEAD, nos
últimos anos (desde 2002), vindo a aumentar a sua aplicação, principalmente na renovação da rede, numa média
de 60 km/ano.
Os tubos e acessórios estão naturalmente sujeitos a diversos
tipos de factores agressivos que contribuem, através de
mecanismos vários, para a sua degradação, súbita ou
continuada no tempo.
10.2.2.3 Identificação das patologias mais correntes
As patologias mais correntes em tubagens e acessórios
assumem em geral as seguintes formas:
• Roturas por acções de choque mecânico;
• Roturas devidas a movimentos dos solos;
• Roturas devidas a aumentos das cargas externas
transmitidas pelo solo;
• Deterioração ao longo do tempo da tubagem e/ou das
juntas e acessórios;
• Corrosão generalizada, localizada, galvânica, correntes
vagabundas;
• Redução da secção útil dos tubos devido a
incrustações;
Esses factores podem ser classificados da seguinte forma:
• Condições hidráulicas da rede
As pressões são um dos principais factores agressivos
(pressões em regime hidráulico permanente e transitório).
A má utilização em termos de paragens e arranques dos
grupos, manobras de válvulas, incorrecto dimensionamento/instalação dos grupos hidropressores poderão estar
na origem de uma degradação mais rápida do sistema de
abastecimento.
Em termos de exploração, a tubagem e acessórios estão
sujeitos a factores agressivos relativos às condições
hidráulicas na rede que se traduzem em pressões máximas
em regime permanente que não excedem em geral 8,3 bar,
exceptuando alguns casos que pode ir até 12 bar.
No quadro seguinte pode-se observar, para cada estação
elevatória existente na rede de distribuição, as alturas de
elevação aproximadas para os diversos destinos, salvo o
caso da estação elevatória do Restelo, cujo único destino é
o reservatório de Monsanto.
QUADRO 2 - ALTURAS DE ELEVAÇÃO NOMINAIS NAS ESTAÇÕES
ELEVATÓRIAS DA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE LISBOA
Estação
elevatória
Destinos de elevação(a)
Alturas de elevação
aproximadas (m.c.a)
Barbadinhos Rede (ZB) - Reservatório do Vale
• Qualidade deficiente ao nível dos tubos, acessórios e
componentes utilizados na execução das uniões.
No caso da EPAL e dado o projecto de renovação de rede em
curso, a melhoria da fiabilidade das reparações, a entrada
em funcionamento do Adutor da Circunvalação, com a
retirada de caudais em trânsito na rede de Lisboa para os
concelhos limítrofes, o ano de 2004 espelha já alguns resultados positivos, no que se refere à diminuição de roturas:
Campo de
Ourique
Olivais
Escuro e de S. Jerónimo
38
Rede (ZM) - Reservatório do Arco
59
Rede (ZA) - Reservatório do Pombal
96
Rede (ZA) - Reservatório do Pombal
32
Rede (ZS) - Reservatório de Monsanto
80
Reservatório da Amadora
45
Rede (ZB) - Reservatórios do
61
Contador-Mor E do Vale Escuro
92
Rede (ZM) - Reservatórios de Campo
de Ourique e do Arco
QUADRO 1 - VARIAÇÃO DO NÚMERO DE ROTURAS
ENTRE OS ANOS DE 2003 E 2004
Roturas
Ano 2004
Variação
Condutas DN ≤ 400 mm
715
534
-25%
Condutas DN > 400 mm
84
49
-42%
Roturas
Ano 2003
Ano 2004
Variação
1460
947
-35%
Em ramais
160
Ano 2003
Restelo
Rede (ZA) - Reservatório de Telheiras
122
Aqueduto do Alviela
21
Reservatório de Monsanto
80
65
S. Jerónimo Rede (ZA) - Reservatório do Restelo
Telheiras
Rede (ZS) - Reservatório da Charneca
35 - 44
Rede (ZA) - Reservatório da Amadora
25 - 30
Reservatório do Alto de Carenque
125 - 130
(a) ZB - Zona Baixa; ZM - Zona Média; ZA - Zona Alta;
ZS - Zona Superior
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
Mais especificamente no que se refere à concepção da rede
de distribuição, e conforme já mencionado, o valor de
pressão mínimo actualmente disponibilizado pela EPAL é de
300kPa, assim como o valor máximo, de modo a evitar a
ocorrência de sobrepressões é de 600kPa.
do contacto da água com tubagens e acessórios de diferentes materiais. Da complexidade dos três subsistemas
adutores a quatro zonas de distribuição resulta que em
algumas zonas da cidade, as características da água
distribuída são bastante semelhantes às da água aduzida,
enquanto noutras reflectem as misturas de aduções diferentes.
• Características químicas das águas transportadas na rede
Os factores químicos da água transportada na rede, quando
atingem teores agressivos, degradam a tubagem afectando
a qualidade da água.
Conforme já mencionado, a água aduzida à cidade de
Lisboa provém de três subsistemas distintos - Alviela, Tejo e
Castelo do Bode (captações superficiais e subterrâneas).
Daqui resulta uma variabilidade das características da água
aduzida. A esta variabilidade há a acrescentar a que resulta
A título meramente informativo apresenta-se no quadro
seguinte a concentração hidrogeniónica (pH) da água
distribuída em Lisboa, por zona de distribuição:
QUADRO 3 - CONCENTRAÇÃO HIDROGENIÓNICA DA ÁGUA DISTRIBUÍDA EM LISBOA
Parâmetro
Concentração
Hidrogeniónica
(pH)
Zona Baixa
Zona Média
Zona Alta
Zona Superior
Reservatórios
V.min
V.máx
V.min
V.máx
V.min
V.máx
V.min
V.máx
V.min
V.máx
7,7
8,6
7,7
8,5
6,9
8,6
7,4
8,7
6,9
8,3
• Características químicas e físicas dos solos e das suas
águas intersticiais
A humidade do solo e a presença de sais dissolvidos são os
factores que mais contribuem para a resistividade do solo,
parâmetro que em geral é utilizado para caracterizar a
corrosividade dos solos.
A título meramente informativo resumem-se os principais
factores agressivos do solo para os tubos metálicos:
- Concentração hidrogeniónica (pH);
- Sulfato;
- Cloreto;
- Alcalinidade;
- Resistividade;
- Contaminação orgânica;
- Correntes vagabundas.
• Condições geotécnicas, sísmicas e mecânicas
Os factores relevantes que podem contribuir para que as
tubagens enterradas possam sofrer danos são:
- Movimentos permanentes do terreno, que estão
directamente relacionados com as suas características
geotécnicas, como os assentamentos dos solos e sua
liquefacção;
- Efeitos da propagação das ondas sísmicas nas tubagens,
sendo o parâmetro identificado como relevante a
deformação da tubagem, resultante das extensões
axiais e das curvaturas;
- Cargas rolantes sobre o terreno, que estão directamente
relacionadas com o trânsito rodoviário e ferroviário.
A cidade de Lisboa situa-se numa zona de sismicidade
moderada, caracterizada pela ocorrência de sismos fortes,
separados por longos períodos de acalmia, em que se registam sismos fracos.
161
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
Fig. 4 - Cenário sísmico de danos na cidade de Lisboa
Fig. 3 - Distribuição das intensidades na cidade de Lisboa
10.2.2.5 Reservas de água
Os reservatórios existentes e em serviço no sistema da EPAL de abastecimento à cidade de Lisboa, os quais funcionam também
como reservas de água, encontram-se caracterizados no quadro seguinte:
QUADRO 4 - CARACTERIZAÇÃO DOS RESERVATÓRIOS EXISTENTES NO SISTEMA DE ABASTECIMENTO A LISBOA
CÉLULAS
ZONAS DE
DISTRIBUIÇÃO
DESIGNAÇÃO
GRAVIDADE
BOMBEAMENTO
N.º
COTA DE
SOLEIRA
BARBADINHOS
-
ZB,ZM,ZA
2
27,66
3,70
9 250
OLIVAIS
-
ZB,ZM,ZA
2
17,00
4,50
38 570
CONTADOR-MOR
ZB
-
2
74,00
4,00
9 504
VALE ESCURO
ZB
-
2
68,30
6,25
20 186
S. JERÓNIMO
ZB
ZA
2
57,43
2,90
4 500
ARCO
ZB,ZM
-
2
92,72
2,90
11 460
Zona Baixa - ZB
C. OURIQUE
ZM
ZA,ZS
2
90,27
5,30
127 200
Zona Média - ZM
TELHEIRAS I
ZA
ZA,ZS
4
126,00
5,00
58 112
Zona Alta - ZA
2
119,00
12,00
114 297
Zona Superior-ZS
2
116,46
2,62
6 892
1
116,38
2,70
5 130
TELHEIRAS II
POMBAL 1,2
ZA
-
POMBAL 3
RESTELO
ZA
ZS
2
122,30
5,60
9 226
CHARNECA I
ZS
ZL
2
152,10
5,90
9 925
1
152,10
5,90
10 162
2
171,44
4,00
4 470
CHARNECA II
MONSANTO
TOTAL
162
VOLUME
TOTAL
(m³)
ALTURA
DE ÁGUA
(m)
ZS
-
438 884
LEGENDA:
Zona Limite - ZL
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
A capacidade de reserva foi calculada atendendo às
seguintes ocorrências:
- aumentos súbitos de pedidos na rede por razões de
emergência, em particular combates a incêndios.
- ajustamento dos caudais de adução aos pedidos na
rede;
No quadro seguinte, apresentam-se as relações entre
capacidade total e os consumos médio diário anual, no mês
de maior consumo, na semana de maior consumo e no dia
de maior consumo, previstos para os anos de 1995 e 2020,
para Lisboa:
- falhas de adução por interrupções subsequentes a
avarias no sistema de abastecimento de água ou
cortes na alimentação eléctrica;
QUADRO 5 - RELAÇÃO ENTRE A CAPACIDADE TOTAL DOS RESERVATÓRIOS E OS CONSUMOS MÉDIO DIÁRIO ANUAL, NO MÊS DE MAIOR
CONSUMO, NA SEMANA DE MAIOR CONSUMO E NO DIA DE MAIOR CONSUMO, PREVISTOS PARA OS ANOS DE 1995 E 2020
TIPO DE
CONSUMO
CAPACIDADE
TOTAL (m³)
NECESSIDADES DE
ÁGUA (m³/dia)
COEFICIENTES
(-)
1995
2020
1995
2020
(2)
(3)
(1) / (2)
(1) / (3)
284413
284239
1,54
1,54
327074
326875
1,34
1,34
SEMANA MAIOR CONSUMO
341295
341087
1,28
1,29
DIA MAIOR CONSUMO
369736
369511
1,19
1,19
(1)
MÉDIO ANUAL
MÊS MAIOR CONSUMO
438884
Verifica-se que a capacidade total excede as necessidades de água estimadas para esses anos.
10.2.2.6 Estratégia de manutenção da qualidade da
água
A par com a necessidade de garantir duma forma optimizada
as reservas adequadas de água no sistema para uma distribuição compatível com os consumos, também é fundamental
que seja garantida a qualidade da mesma água. Esta
preocupação prende-se com a possibilidade de deterioração da qualidade da água nos reservatórios, se determinadas medidas não fizerem parte das normas de exploração e, ainda, se não forem verificados determinados
critérios de concepção.
Os procedimentos de exploração integram rotinas de
inspecção e de manutenção, além de envolver, potencialmente, actuações de emergência.
a reunir conceitos e regras, previamente estabelecidas e
divulgadas, que permitissem uma capacidade de resposta
mais oportuna e qualitativa, opção que motivou à elaboração de um Manual, o qual não é uma ideia recente, mas
sim um projecto há muito planeado.
Para com maior rigor avaliar a conformidade técnica dos
processos de abastecimento foi publicado o Manual de
Redes Prediais da EPAL, dirigido a projectistas, técnicos
responsáveis pela instalação das redes prediais de água e
instaladores.
Manual de Redes Prediais da EPAL
10.3 Concepção global dos sistemas
prediais em Lisboa
10.3.1 Aspectos gerais
É também da responsabilidade da Empresa a aprovação e a
fiscalização das redes prediais na cidade de Lisboa, de modo
assegurar o cumprimento das regras definidas. Assim e
dentro desta opção metodológica foi sentida a necessidade
de iniciar um processo normativo conducente ao estabelecimento de uma base de informação padronizada, destinada
163
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
No Manual de Redes Prediais são abordados aspectos de
concepção e execução, sendo particularmente desenvolvidos
os primeiros, por serem aqueles que conferem aos projectos
a sua verdadeira potencialidade em termos de "linguagem
técnica".
O conteúdo do documento não pretende ser exaustivo e de
modo algum dispensa a consulta de toda a regulamentação
em vigor, mas tem como objectivo transmitir as regras que
esta Empresa considera pertinentes, permitindo aos interessados a apresentação de processos de abastecimento,
compatíveis com os conceitos vigentes na EPAL.
Subsidiariamente poderá também constituir elemento de
consulta para instaladores, considerando-se o referido
Manual como um complemento da documentação técnica
já existente na EPAL, pois procura apresentar uma visão
global conducente à obtenção de soluções que contornem
os problemas detectados nos projectos de redes prediais,
embora numa opção técnica condicionada pela normalização
nacional existente.
10.3.2 Estrutura do Manual de Redes Prediais
A estrutura do Manual é constituída pelos seguintes capítulos
e anexos:
I.
Generalidades
II. Elaboração e Circuito dos Processos de
Abastecimento
III. Concepção de Projecto e Disposições Construtivas
IV. Dimensionamento
Anexos
A Terminologia
B Simbologia
C Documentos e Elementos Técnicos Constantes dos
Processos de Abastecimento
D Esquemas de Instalação e Execução
E Legislação e Normalização Aplicáveis
F Referências Bibliográficas.
10.3.3 Descrição dos capítulos estruturantes
do Manual
10.3.3.1 Capítulo I - Generalidades
Abordagem de aspectos gerais tais como a Legislação e
Normalização, deveres e responsabilidades das diversas
partes intervenientes.
164
10.3.3.2 Capítulo II - Elaboração e circuito dos
processos de abastecimento
Tem como objectivo definir as regras para a elaboração e
constituição de um processo de abastecimento, assim
como a descrição do seu circuito, desde a sua entrega nos
Serviços da EPAL, até à fase de celebração de contratos de
fornecimento de água.
Uma correcta elaboração dos processos de abastecimento,
permite uma optimização dos recursos utilizados pela EPAL
na fase de análise dos mesmos, o que conduz a prazos de
resposta mais reduzidos.
Na assunção deste pressuposto recomenda-se que sejam
respeitadas todas as indicações consignadas no documento,
permitindo assim um desenvolvimento mais célere dos
processos de abastecimento.
Após a constituição de um processo de abastecimento, de
acordo com o estabelecido no capítulo II, este deve ser
entregue, na EPAL, para emissão de parecer.
A consulta do fluxograma a seguir representado, evidencia
todo o circuito de um processo de abastecimento no seu
desenvolvimento mais longo, ou seja, com entrega de alterações ao nível da análise e da fiscalização:
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
Fig. 5 - Fluxograma de um processo de abastecimento
165
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
O fluxograma anteriormente apresentado poderia ser
muito simplificado se todo o processo não tivesse que passar
por frequentes e diferentes análises do mesmo, no que
respeita a alterações entregues, seja na fase de análise ou/e
na fase de fiscalização.
É recomendável ainda que sejam respeitadas todas as indicações consignadas no documento, permitindo assim um
desenvolvimento mais célere dos processos de abastecimento, nomeadamente no que respeita à caracterização dos
deveres, responsabilidades de manutenção e recomendações.
7 Ramal de Ligação
Canalização que liga a Rede Geral de Distribuição à rede predial, para serviço de uma propriedade, ou a bocas de
incêndio e marcos de água.
8 Torneira de Suspensão do Ramal
Válvula que regula o fornecimento de água ao prédio.
9 Rede Geral de Distribuição
Sistema de canalizações, órgãos e equipamentos instalados na via pública.
Fig. 6 - Redes prediais. Responsabilidades de manutenção
166
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
10.3.3.3 Capítulo III - Concepção de projecto e
disposições construtivas
O capítulo III tem como objectivo definir as linhas orientadoras a adoptar na concepção global dos sistemas prediais
de abastecimento de água, assim como indicar quais as
disposições construtivas preconizadas pela EPAL.
Como entidade responsável pelo fornecimento de água
para consumo humano, a EPAL assegura a qualidade da
mesma na sua rede geral de abastecimento. A concepção
dos sistemas prediais deve assim garantir, quer a manutenção
dessa mesma qualidade, quer as boas condições do fornecimento no que concerne à pressão e caudal nos dispositivos de utilização.
b) Através de equipamento de pressurização directa,
constituído por grupos de velocidade variável e tendo
em conta o especificado no Manual. A adopção desta
solução pressupõe que embora se recorra à pressurização, a pressão da rede geral de fornecimento deve
ser aproveitada, levando a que existam sempre que
possível, pelo menos dois andares de pressão (gravítico
e pressurizado):
Mais especificamente no que diz respeito às pressões deve
ser tido em atenção o valor de pressão mínimo, actualmente de 300kPa, disponibilizado pela EPAL, na rede geral
de distribuição de água, assim como o valor máximo, de
forma a evitar a ocorrência de sobrepressões (>600kPa).
Quando o valor mínimo não for garantido, deverá ser
prevista a instalação de equipamento de pressurização.
Nos casos em que este valor seja ultrapassado deve ser instalada válvula redutora de pressão.
É ainda de interesse apresentar uma síntese das soluções
de abastecimento predial permitidas pela EPAL:
a) Fornecimento totalmente gravítico, em que a pressão
mínima disponibilizada no ramal de ligação é suficiente para garantir as boas condições de fornecimento a todos os locais do edifício a serem objecto
de contratos de fornecimento:
Fig. 8 - Diagrama de abastecimento às redes prediais com sistema
misto gravítico e pressurizado
Fig. 7 - Diagrama de abastecimento às redes prediais
com sistema simples gravítico
167
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
c) Fornecimento efectuado a partir de depósito dotado
de equipamento de elevação, exclusivamente para o
sistema de incêndio e situações especiais:
Situação II
Situação I
Fig. 9 - Diagrama de abastecimento às redes prediais com sistema
misto gravítico e pressurizado e abastecimento directo à rede
de incêndio e rede sprinklers
168
Fig. 10 - Diagrama de abastecimento às redes prediais com sistema
misto gravítico e pressurizado e abastecimento ao serviço
de incêndio a partir de depósito
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
Situação III
é responsável pelos valores neles apresentados e sua validade. No entanto, se forem detectadas irregularidades, ou
se os mesmos se encontrarem incompletos devem ser apresentados novos cálculos.
O dimensionamento dos Sistemas Prediais de Abastecimento
de Água é efectuado de forma faseada através de um
processo iterativo.
No capítulo IV são apresentados alguns métodos de dimensionamento para cada situação, no entanto, os mesmos não
são vinculativos, salvo se indicado, estando o projectista
livre de apresentar outros métodos desde que devidamente
fundamentados, através da apresentação de ábacos, tabelas
e referências bibliográficas.
10.3.3.5 Anexos
Os anexos, já anteriormente mencionados, consistem:
A Terminologia - Consiste na compilação dos termos
instituídos pela EPAL mais utilizados neste Manual,
encontrando-se organizada por ordem alfabética;
B Simbologia - Apresentação dos símbolos a utilizar na
elaboração das peças desenhadas dos projectos de
redes prediais;
C Documentos e Elementos Técnicos Constantes dos
Processos de Abastecimento - Inclui as referências do
"Capítulo II - Elaboração e Circuito dos Processos de
Abastecimento", tal como as minutas tipo, quadros
de apoio, etc.;
Fig. 11 - Diagrama de abastecimento às redes prediais e serviço
de incêndio a partir de depósito contabilizado a montante
(condição excepcional para Hotéis e Hospitais, previsto na
legislação)
D Esquemas de Instalação e Execução - Compilação de
diversas indicações de carácter normativo relativas a
alguns aspectos construtivos das redes prediais;
E Legislação e Normalização Aplicáveis - Listagem não
exaustiva de documentação;
F Referências Bibliográficas.
10.3.3.4 Capítulo IV - Dimensionamento
Após a fase de concepção do projecto da rede predial de
água, onde se definiu o traçado das canalizações, a escolha
dos materiais a utilizar e a selecção dos órgãos e dos
equipamentos, é necessário efectuar o dimensionamento
das canalizações, nomeadamente no que concerne aos
diâmetros das tubagens e determinação das características
dos equipamentos electromecânicos.
Relativamente ainda ao Anexo D, apresentam-se nas
seguintes figuras, a título meramente exemplificativo,
algumas das principais disposições construtivas relativas às
redes prediais, constantes no Manual.
A fase de dimensionamento funciona ainda como prevenção
e detecção de erros de concepção, uma vez que se determinam
entre outros, valores de velocidades de escoamento e de
pressão disponível nos dispositivos de utilização, possibilitando o controlo dos parâmetros relativos aos níveis de
conforto e desempenho dos sistemas.
Os cálculos justificativos, relativos ao dimensionamento,
são componentes fundamentais do projecto da rede predial,
sendo sempre obrigatória a sua apresentação. O projectista
169
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
Fig. 12 - Instalação de contadores em bateria
170
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
Fig. 13 - Instalação de contadores em caixa enterrada até DN 40
171
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
Fig. 14 - Instalação de contadores em caixa enterrada a partir de DN 50
172
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
Fig. 15 - Instalação de ponto de ligação flangeado
173
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
Fig. 16 - Pontos de ligação roscados
174
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
10.3.4 Outras publicações complementares
Paralelamente à edição do referido documento, no início de
2002, foram desenvolvidos e implementados dois novos
folhetos, sendo eles: "Elaboração e circuito dos processos
de abastecimento" e "Condições técnicas de instalação de
contadores em bateria".
No início de 2003 foram editados mais dois novos folhetos
designadamente, "Instalação de contadores em caixa" e
"Contador de obra".
Estas publicações servem actualmente de apoio ao Manual,
no entanto, sendo este um documento dinâmico, todas as
opiniões, serão de especial interesse para o enriquecimento
técnico das futuras edições, pelo que as mesmas serão sempre
bem vindas.
10.3.5 Resultados práticos
10.3.5.1 Divulgação da documentação
Aquando da disponibilização do Manual de Redes Prediais
em Fevereiro de 2002, a EPAL tinha uma perspectiva de
distribuição entre os 90 e os 100 exemplares até ao final
do ano.
No entanto, passado dois anos e meio da sua publicação, é
com satisfação que já se distribuíram mais de três centenas de exemplares, demonstrando o reconhecimento e
interesse por parte de Projectistas, Empreiteiros, Instaladores
e Donos de Obra, não só da Cidade de Lisboa como de
outras zonas do País.
O objectivo que originou a elaboração e publicação do
documento começa agora a dar mostras de estar a ser
concretizado, notando-se que os projectos registam algumas
melhorias ao nível da sua concepção e apresentação, verificando-se em obra que o mesmo tem ajudado na implementação de algumas regras de construção, facilitando os
procedimentos de fiscalização e de execução da obra.
Internamente, a dinâmica dos diferentes serviços melhoraram, tendo-se obtido um equilíbrio maior entre a análise
e a fiscalização dos processos de abastecimento, bem como na
execução de ramais de ligação e instalação de contadores.
A imagem, no exterior, também tem sido mais positiva,
principalmente através dos comentários construtivos,
sendo, por vezes, feitas algumas sugestões de melhoria que
têm sido apontadas e que serão devidamente estudadas no
intuito de virem a surtir efeito em revisão com vista a uma
futura emissão.
10.3.5.2 Quantificação dos processos de
abastecimento e dos resultados práticos
A título informativo, apresentam-se, a seguir, quadro e figuras,
de resultados do exercício da área de Novos Abastecimentos
entre 2000 e 2004, nos quais se reflecte de alguma forma o
contributo do Manual.
Nº de Processos
6.000
5.000
4.000
3.000
Mês/Ano
Dez-00
Dez-01
2.000
Dez-02
1.000
Dez-03
0
Situação
Set-04
Em curso
Pendentes
da EPAL
Pendentes
de Clientes
Dez-00
Dez-01
Dez-02
Dez-03
Set-04
Fig.17 - Gráfico comparativo da variação do número de processos
em curso e pendentes na EPAL entre o ano de 2000 e o ano
de 2004
No que se refere ao nível de serviço, durante o ano de 2004,
efectuou-se uma contabilização dos tempos de resposta
dos processos de abastecimento, tendo em conta que a lei
vigente obriga que as respostas sejam emitidas dentro de
um período de 20 dias úteis.
Na figura seguinte pode-se observar em percentagem, a
quantificação do número de processos de abastecimento
de 2004, relativamente ao tempo de resposta.
< 5 dias
entre 5 e 20 dias
entre 20 e 40 dias
mais que 40 dias
65%
5%
5%
25%
Fig. 18 - Gráfico comparativo da variação relativamente ao tempo
de resposta aos processos de abastecimento
Através deste tipo de controlo, sempre que os indicadores
apresentam desvios, são introduzidas acções correctivas.
Também sempre que os colaboradores detectam erros
sistemáticos, estes são analisados e adoptadas acções
correctivas para impedir a sua repetição, ou seja, consegue-se
obter a percepção da evolução da qualidade do serviço e a
identificação das áreas de melhoria do ponto de vista do
mercado.
175
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
Esta atitude permite a melhoria sistemática dos processos
e, como tal, assegura a conformidade do serviço fornecido
ao Cliente.
Pode-se concluir que, presentemente, tanto a EPAL como os
agentes externos da área, beneficiam com a publicação
deste documento, facilitando a implementação de regras
instituídas na empresa e aumentando a interacção com o
exterior, o que constitui uma contribuição positiva para a
concretização do objectivo inicialmente pretendido com
este projecto, do qual se espera no futuro vir a reflectir-se
numa melhoria qualitativa e quantitativa.
10.4 Enquadramento legislativo
A EPAL possui um regulamento geral de abastecimento de
água que foi posto em vigor pela portaria nº 10 716, de 24
de Julho de 1944 e suas alterações entretanto publicadas,
com o qual os serviços se regem.
No Decreto-Lei nº 230/91 de 21 de Junho, no Artigo 1º,
parágrafo 2, é mencionado que: "A EPAL, S.A., rege-se pelo
presente diploma, pelos seus estatutos, pelas normas de
direito privado aplicáveis às sociedades anónimas e pelas
normas especiais, cuja aplicação decorra do objecto da
sociedade.", e no Artigo 8º, parágrafo 2, é mencionado também o seguinte:" Sem prejuízo da aprovação de um novo
regulamento aplicável à EPAL, S.A, os consumidores directos
continuam a reger-se pelo disposto no regulamento
aprovado pela portaria nº 10 716, de 24 de Julho de 1944,
na sua redacção actual".
Com efeito, o artigo nº 31 do Decreto-Lei nº 207/94 estabelece que: "O regime estabelecido no Decreto-Lei nº 230/91,
de 21 de Junho, relativo à Empresa Portuguesa de Águas
Livres, S.A, (EPAL), não é afectado pelo disposto no presente
diploma".
Pelo anteriormente exposto, conclui-se assim que a EPAL
se encontra numa situação de excepção, face alguma da
legislação actualmente aplicável a todo o país, no entanto
esta Empresa sempre fez questão de orientar-se pelos
Regulamentos e Decretos-Leis vigentes:
Decreto Regulamentar nº 23/95, de 23 de Agosto - Aprova
o Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de
Distribuição de Água e Drenagem de Águas Residuais;
Decreto-Lei nº64/90, de 21 de Fevereiro - Aprova o
Regulamento de Segurança contra Incêndio em Edifícios de
Habitação;
Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de
Edifícios e Pontes;
Regulamento de estruturas de Betão Armado e Pré-esforço;
Decreto-Lei 320/2001 e 272/2003 (segurança);
Decreto-Lei nº59/99, 2 de Março - Regime Jurídico de
Empreitadas de Obras Públicas.
176
Sistemas de Abastecimento Público e Predial em Lisboa
10.5 Referências bibliográficas
" Plano Geral da Rede de Distribuição de Água a Lisboa
e do Abastecimento aos Concelhos limítrofes" - Relatório
Final, Setembro 1997 - elaborado pela Empresa Aquasis
para a EPAL;
" Especificação de materiais para a rede de abastecimento
da água da EPAL" - Relatório 254/99-NES, elaborado pelo
LNEC para a EPAL;
" Manual de Redes Prediais", 2001, EPAL.
177
178
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
11. SISTEMAS DE REGA SOB PRESSÃO: EFICIÊNCIA,
POLIVALÊNCIA E ECONOMIA
Autor: José Beltrão
Professor Catedrático, FERN,
Universidade do Algarve, Faro
179
180
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
A Universidade do Algarve
A Universidade do Algarve, tal como existe neste momento, resultou da união das duas instituições previamente existentes:
a Universidade do Algarve, criada pela Lei n.º 11/79 de 28 de Março e o Instituto Politécnico de Faro, criado pelo decreto-lei
n.º 513-T/79, de 26 de Dezembro.
Tendo nascido do sonho de poucos e da vontade de muitos, cedo se alçou de instalações provisórias a espaços amplos,
dispondo, hoje, de dois Campus - Penha e Gambelas - e de dois Pólos - Portimão e Vila Real de Santo António -, que
proporcionam excelentes condições de estudo, trabalho, investigação e socialização aos cerca de 10 000 estudantes,
700 docentes e 400 funcionários que gravitam no seu universo.
Possui cinco FACULDADES - Economia; Engenharia de Recursos Naturais; Ciências Humanas e Sociais; Ciências do Mar e
Ambiente; e Ciências e Tecnologia e quatro ESCOLAS SUPERIORES - Educação; Gestão, Hotelaria e Turismo; Tecnologia e Saúde.
A FERN - Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais
A Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais - FERN surgiu em 1982, após a criação da Universidade do Algarve.
Inicialmente adoptou a designação de Unidade de Ciências e Tecnologias Agrárias - UCTA e assumiu a responsabilidade do
ensino da licenciatura em Hortofruticultura. Em 1998, com a reestruturação de toda a Universidade do Algarve, as Unidades
foram extintas e as Faculdades vieram substituir as anteriores estruturas.
Entre 1982 e 1998 a então UCTA foi crescendo e alargando os seus horizontes, de ensino e investigação. Em 1991, por exemplo,
foi constituído o Centro de Desenvolvimento de Ciências e Técnicas de Produção Vegetal - CDCTPV. Em 1992 integrou o 'grupo
internacional' de oito universidades que lançou e coordenou o Mestrado em Hortofruticultura - especialidade de Marketing
e Comercialização. A Horto-fruticultura foi reestruturada e adoptou o nome de Engenharia Agronómica - ramo
Hortofruticultura, e foram iniciadas as licenciaturas em Engenharia Biotecnológica, em 1993, e em Arquitectura Paisagista,
cinco anos mais tarde.
No ano de 2003 a Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais estava envolvida em mais de 30 projectos de investigação,
16 dos quais liderados por docentes seus.
Actualmente a Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais tem a responsabilidade de quatro licenciaturas (Engenharia
Agronómica - ramo Hortofruticultura, Engenharia Biotecnológica, Arquitectura Paisagista e Agronomia) e de quatro mestrados
(Horticultura - especialidade de Marketing e Comercialização, Recursos Hídricos, Biotecnologia e Agricultura Sustentável).
As duas licenciaturas de Engenharia estão reconhecidas pela Ordem dos Engenheiros.
É também uma Faculdade integrada no mundo global que a envolve. Por exemplo, integra a Rede de Universidades
Portuguesas de Ensino Agronómico - RUPEA e tem numerosos e abrangentes protocolos de colaboração, com instituições
universitárias portuguesas e estrangeiras, com centros de investigação nacionais e internacionais, e com empresas da região
e do país.
A FERN é constituída hoje por mais de 50 docentes, maioritariamente com o Grau de Doutor que asseguram o funcionamento
regular das licenciaturas e mestrados. Para além dos docentes integram a Faculdade mais de 25 funcionários e, como não
podia deixar de ser, mais de 700 estudantes. No ano de 2003 A FERN diplomou 59 licenciados (35 em Engenharia Agronómica
e 24 em Engenharia Biotecnológica) e já em 2004 surgem os primeiros licenciados em Arquitectura Paisagista.
Um edifício recém inaugurado, situado no Campus de Gambelas, esta Faculdade inclui 46 gabinetes, 33 laboratórios, 3 salas
de informática e 4 salas de estudo propiciam as adequadas condições de trabalho para os docentes, alunos e funcionários.
Nas proximidades está localizado o Horto Experimental de Gambelas, com espaços ao ar livre e estufas, e com uma estação
meteorológica automática.
181
182
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
11.1 Introdução
Este capítulo incidirá somente sobre os sistemas de rega e
a sua relação com a polivalência e a economia energética.
Ao falar-se de polivalência, considerou-se não só a origem
da água de rega (recursos convencionais e não convencionais), mas também as várias utilizações dos sistemas
de rega, tendo em vista, além da rega de humedecimento,
outros tipos de utilização agro-ambiental. No que respeita
à economia energética dos vários sistemas de rega, considera-se a eficiência de rega como a componente de maior
importância. No que respeita a polivalência e a economia
energética dos sistemas de rega, não se incluem outros
parâmetros necessários quer ao planeamento, quer à
gestão dos sistemas de rega. Estes outros parâmetros serão
definidos através das componentes do sistema dinâmico
SPAC (soil-plant-atmosphere-continuum). Para a caracterização deste complexo sistema será necessário o conhecimento de elementos de base e aplicados ao solo (Hillel,
1980a; 1980b), à planta (Taylor et al., 1983; Beltrão et al.,
1997), à atmosfera (Doorenbos & Kassam, 1979; Allen et
al. 1998) e aos seus efeitos combinados nas necessidades
hídricas das plantas obtidas pela equação do balanço hídrico
na zona radicular, definida por:
R + P = ETa + (Dr + Es - Ac) + ∆S
(1)
em que:
R - Água de rega, expressa através da dotação real de rega (mm)
P - Precipitação (mm)
ETa - Evapotranspiração real da cultura (mm)
Dr - Água de drenagem (mm)
Es - Água de escorrimento superficial (mm)
Ac - Água de ascensão capilar (mm), de acordo com Beltrão
et al.(1996)
∆S - Variação da água no solo na zona radicular (mm)
ETa pode-se obter através da equação:
ETa = ETo x kc
(2)
Em que
ETo - Evapotranspiração de referência (mm)
kc - coeficiente cultural, variando com a cultura e o seu
estado fenológico.
O valor aproximado do coeficiente cultural está definido
para as culturas regadas para a máxima produção, podendo
ser obtido o seu valor directa ou indirectamente quando se
verificam decréscimos da produção, através de fórmulas
específicas (Doorenbos & Kassam, 1979) e de funções de
produção (Shalhevet e tal., 1981), ou de modelos dinâmicos
de produção (Jones & Kiniry, 1986).
Esta equação do balanço hídrico (1) não é aplicável aos
sistemas de rega de rega localizada (gota a gota e mini-
-aspersão), uma vez que neste caso o solo não é regado na
sua totalidade, sendo neste caso utilizado um balanço
hídrico específico (Vermeiren & Jobling, 1980) .
O estudo das necessidades hídricas poderá também ser
efectuado recorrendo a outras técnicas (Dasberg & Or, 1999):
a) relacionadas com o solo - como por exemplo diferenças
de potencial de água no solo (tensão de água no solo)
através de tensiómetros, sondas TDR, blocos de gesso e
outras; e
b) relacionadas com a planta - como por exemplo o potencial de turgescência ou o termómetro infravermelho.
As relações entre as necessidades hídricas e os sistemas
de rega foram estudados por Pereira (2004). Dado que a
dimensão deste capítulo é limitada, indica-se nas referências
bibliográficas os trabalhos que deverão ser consultados.
11.2 Classificação dos sistemas de rega
11.2.1 Sistemas de rega por gravidade
Há quem considere os métodos de rega como sinónimos
de sistemas de rega. Contudo, teoricamente o método diz
mais respeito ao fenómeno físico predominante enquanto
os sistemas têm mais que ver com o material, tipo de
instalação e funcionamento. É muito complexo classificar
com rigor os sistemas de rega, por haver situações híbridas
e combinadas, difíceis de definir. Contudo, poderíamos dividir
os sistemas de rega em sistemas de rega por GRAVIDADE
(escoamento ou infiltração em superfície livre) e por PRESSÃO
(escoamento em pressão), com uma subdivisão em processos
de rega. Uma das classificações adoptadas em Portugal
é aqui apresentada no QUADRO 1 (Sistemas de rega por
gravidade) e no QUADRO 2 (Sistemas de rega sob pressão).
Foi extraída da extinta disciplina de Hidráulica Geral e
Agrícola, do Instituto Superior de Agronomia, Universidade
Técnica de Lisboa (Mayer, 1945), com algumas actualizações
introduzidos principalmente por Oron & Beltrão (1993) e
por Raposo (1996 b).
QUADRO 1 - SISTEMAS DE REGA POR GRAVIDADE
Método - Escorrimento Método - Submersão
Método - Infiltração
Processos:
Processos:
Regadeiras de nível
Submersão permanente: Sulcos
Regadeiras inclinadas Canteiros
Planos inclinados
Submersão Temporária:
Cavaletes
Caldeiras
Faixas
Processos:
Rega subterrânea
Simples
Coroa circular
183
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
A classificação em escorrimento, submersão e infiltração
diz respeito ao fenómeno físico predominante observado
durante a rega.
No caso dos sistemas de rega por escorrimento, a água
escorre por todo o terreno a regar, infiltrando-se no solo.
Actualmente apenas tem interesse o sistema por rega por
faixas pois é o único que permite a mecanização, embora a
sua utilização em Portugal seja relativamente pequena.
Contudo ainda se utiliza no norte de Portugal, em zonas de
maiores declives, o sistema de rega por regadeiras de nível.
A rega por submersão pode ser permanente e temporária.
Os canteiros são utilizados em Portugal principalmente
nos arrozais, sendo neste caso a submersão permanente.
As caldeiras são de submersão temporária; as simples eram
utilizadas antigamente para regar por submersão temporária
as árvores de fruto; actualmente, nas laranjeiras, a caldeira
disposta em coroa circular, como prevenção contra a
gomose basal; contudo, este sistema de caldeiras é apenas
hoje utilizado em pequenas explorações, tendo sido substituído nas explorações intensivas por sistemas de rega localizada.
Os sistemas de rega por gravidade, em que se utiliza a infiltração como fenómeno físico predominante, incluem a rega
por sulcos e a rega subterrânea. Dentro dos sistemas de
rega por gravidade é o dos sulcos o mais empregado em
Portugal. Este sistema é utilizado em culturas dispostas em
linhas, sendo a água de rega distribuída nos sulcos, abertos
entre as linhas das plantas, humedecendo o solo por infiltração. Na rega subterrânea, utiliza-se a ascensão capilar da
água, proveniente da toalha freática artificial ou através do
controlo de uma toalha natural, mantendo-a a uma profundidade conveniente.
11.2.2 Sistemas de rega sob pressão
11.2.2.1 Aspersão (instalações estacionárias e
semoventes)
Os sistemas de rega sob pressão são apresentados no
QUADRO 2. Os fenómenos físicos predominantes são para a
rega por aspersão e para a rega localizada, respectivamente, a aspersão e a infiltração. As instalações de rega
por aspersão podem ser divididas em instalações de rega
estacionárias e semoventes.
As instalações estacionárias são caracterizadas pelo facto
de os aspersores ocuparem posições fixas no solo; as instalações móveis são aquelas em que não há qualquer parte
da tubagem fixa; nas semi-fixas parte da tubagem é
fixa e parte móvel (Fig. 1); e por fim as instalações
fixas caracterizam-se pelo facto de toda a tubagem ser
completamente fixa, sem haver a necessidade de mudança
de tubos (Fig. 2).
184
Fig. 1 - Instalação de rega por aspersão estacionária semi - fixa
Fig. 2 - Instalação de rega por aspersão estacionária completamente
fixa num campo de golfe (Rosado, 2002).
As principais vantagens e inconvenientes da rega por aspersão
em relação à rega por gravidade são as seguintes:
Vantagens:
1) não necessita a preparação do terreno (nivelamento e
armação) necessária nos sistemas de rega por gravidade;
2) permite mais facilmente controlar a dotação de rega;
3) caso a velocidade do vento seja nula ou baixa (< 2 m s-1),
a uniformidade e distribuição de água é mais elevada;
4) maior economia de água;
5) normalmente maior economia de mão-de-obra;
6) geralmente maior produção;
7) menores problemas de erosão do solo;
8) maior polivalência das instalações (combate às geadas e
altas temperaturas, fertirrega mineral e orgânica, rega
qualitativa).
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
Inconvenientes:
1) consumo de energia muito elevado;
2) grande problema com velocidades do vento elevadas
produzem distribuições de água muito irregulares;
3) custo das instalações elevado;
4) desenvolvimento de doenças, devido à rega da parte
aérea das plantas;
5) impossibilidade de aplicação de águas salinas em culturas
não tolerantes à salinidade, por humedecimento da parte
aérea das plantas;
6) altas perdas de água em climas muito ventosos ou áridos;
7) dificuldade (penoso para os operadores) para as mudanças
de tubagens nas instalações móveis em solos de textura
fina.
QUADRO 2 - SISTEMAS DE REGA SOB PRESSÃO
Aspersão
Localizada
Método - Aspersão
Método - Infiltração
Processos:
Processos:
Aspersão - Estacionárias
Fixas
Gota a gota
Semi-fixas
superficial
Móveis
subterrânea
Aspersão - Semoventes
Miniaspersão
Rotação
dinâmica
Translação
estática ou
micro-aspersão
Mistas
As instalações semoventes incluem aquelas em que os
aspersores (além do movimento e rotação própria) se
deslocam ao longo da superfície do solo, enquanto a água
é distribuída. Raposo (1994) classifica as instalações
semoventes em instalações com movimento de rotação
(ex.: Center-pivot), com movimento de translação (ex.:
Canhão automotor) e mistas, isto é, com movimento de
rotação e de translação (ex.: Rain-move).
As principais vantagens e inconvenientes das instalações
semoventes em relação às instalações estacionárias são:
Vantagens:
1) Evitam as mudanças dos aspersores;
2) Mão-de-obra reduzida quando comparadas com as estacionárias móveis ou semi-fixas.
Inconvenientes:
1) Consumos de energia mais elevados (funcionam a pressões
de serviço muito mais elevadas);
2) Só poderão ser utilizadas em áreas elevadas;
3) Não podem ser utilizadas em terrenos irregulares ou
acidentados.
Em relação aos sistemas de rega supracitados, os sistemas
de rega sob pressão seriam os que teriam maior interesse
para aplicação nas regiões mais áridas durante o Verão.
Destes, a escolha dos sistemas de rega de maior interesse
para aplicação está dependente da região e da cultura a
regar. Assim, destinando-se ao Sul de Portugal, região de
clima árido durante o Verão os sistemas de rega mais
interessantes seria a rega por aspersão (Milho-grão, forragens, espaços verdes e campos de golfe, culturas industriais
e culturas hortícolas ao ar livre) e a rega localizada
(pomares, vinhas, e culturas hortícolas principalmente em
estufas). No caso de grandes superfícies regadas por aspersão
(áreas superiores a 50 ha), aplicam-se geralmente instalações semoventes center-pivot; para pequenas superfícies
utilizam-se as instalações estacionárias. As instalações
semoventes tipo canhões auto-motrizes têm tendência
para diminuir, devido ao seu elevado consumo de energia
(QUADRO 7).
11.2.2.2 Localizada (rega por miniaspersão e gota a
gota - superficial e subterrânea)
A rega localizada pode ser dividida em rega gota a gota
e por miniaspersão (Quadro 2). A rega gota a gota pode
ser subdividida em a) superficial e b) subterrânea, sendo
a subterrânea enterrada. A rega por miniaspersão subdivide-se em a) miniaspersão dinâmica quando o miniaspersor
possui movimento de rotação similar a um aspersor rotativo
em miniatura, e em b) miniaspersão estática ou microaspersão em que os miniaspersores não possuem movimento
de rotação.
As principais vantagens e inconvenientes das instalações
de rega gota a gota em relação às instalações de rega por
aspersão são (Dasberg & Bresler, 1985):
Vantagens:
1) grande economia de água, devido ao facto de apenas
uma parte do solo ser regado (rega localizada);
2) manutenção da tensão de agua dos solos (ou do seu teor
em água) aos valores desejados pela planta; alto controlo
da aplicação de rega (que poderá ser feito por ex. através
de tensiómetros);
3) superfície do solo parcialmente humedecida (menor
evaporação, menos infestantes, utilização de máquinas
nas entrelinhas mesmo quando a rega estiver a
funcionar);
4) manutenção da parte aérea das plantas seca, não permitindo tão facilmente o desenvolvimento de doenças;
5) custo de manutenção mais baixo (possibilidade de rega
24 horas por dia, menor caudal e menor pressão de
serviço, traduzindo-se em menor consumo de energia e
menos material);
6) maior eficiência da fertirrega e pestirrega;
7) utilização em solos marginais.
185
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
O maior inconveniente diz respeito a grandes problemas
com entupimentos, que se poderá verificar principalmente
quando se trata da rega gota a gota. A rega por miniaspersão é utilizada principalmente em pomares, sempre que
problemas com a filtração da água não permitirem a rega
gota a gota, ou quando os elevados compassos e a / ou os
movimentos laterais da água do solo a partir das rampas
gota a gota sejam insuficientes para que o volume radicular
fique convenientemente regado.
Com a rega gota a gota subterrânea consegue-se praticamente anular as perdas por evaporação, sendo a água
consumida apenas por transpiração, sendo a superior a
longevidade da tubagem devido à diminuição de choques
térmicos e mecânicos e não haver problemas com radiações
ultra-violetas.
namento das fertilizações, momento e época da fertilização, de acordo com as necessidades do estado fenológico
da cultura e contribuindo para a diminuição da pressão
osmótica do solo. Outras vantagens dizem respeito à
economia de mão-de-obra, melhora a uniformidade de
distribuição dos fertilizantes, evita o calcamento do solo e
permite a adubação mais fácil das culturas de porte baixo.
Relativamente aos macronientes aplicados, o azoto pode
ser aplicado em todos os casos sem quaisquer dificuldades
técnicas - usa-se muito a ureia, os nitratos, o amónio; por
vezes também é utilizado o ácido nítrico (em concentrações
muito baixas) que tem também a função de desobstruir
os gotejadores. O potássio também pode ser utilizado
sem dificuldade, podendo-se usar o nitrato de potássio ou
o sulfato de potássio. Se a água é ácida não há qualquer
problema na aplicação do fosfato mono ou biamónio,
sendo no entanto o ácido ortofosfórico menos sujeito a
problemas de entupimento e de insolubilização, contribuindo
também para a desobstrução dos gotejadores. Há no mercado
adubos líquidos para aplicação na fertirrega para várias
diluições de macro e micronutrientes, mas o seu custo é
mais elevado do que o custo dos adubos sólidos solúveis.
Caso as águas sejam alcalinas, não se deve utilizar o fósforo
na fertirrega.
É necessário que, quando se pratica a fertirrega mineral,
que seja assegurada uma drenagem perfeita do solo,
devendo-se determinar a condutividade do solo e o seu pH,
para se proceder à sua lavagem sempre que necessário.
Fig. 3 - Instalação de rega gota a gota em vinha (Pedras, 2003)
11.3 Polivalência dos sistemas de rega
11.3.1 Águas convencionais
11.3.1.1 Fertirrega
A fertirrega propriamente dita inclui apenas o fertirrega
mineral; antigamente incluía a fertirrega orgânica (chorumes),
que hoje se inclui na água residual agrícola.
No caso da rega localizada, há obrigatoriedade de se aplicar
fertirrega. Ao contrário do que se verifica com os sistemas
convencionais de fertilização, em que parte dos elementos
nutritivos ficam fora da acção das raízes, na fertirrega
localizada, os elementos fertilizantes são conduzidos
através da água, de forma localizada às raízes, principalmente na rega gota a gota. Outras vantagens da fertirrega,
para todos os sistemas de rega sob pressão, são o fraccio-
186
Três instalações-tipo de fertirrega mineral poderão ser aplicadas nos sistemas de rega sob pressão:
1) simples depósito, que se inclui no circuito de água, quando
se procede à fertirrega, colocado após a instalação de
bombeamento e sendo precedido um filtro de malha;
este sistema tem a vantagem de ser de baixo custo, e o
inconveniente de mais difícil controlo das concentrações
dos fertilizantes, sendo as mesmas altas e mal distribuídas;
2) depósito aplicado à saída da bomba, em que se faz a
mistura adubo+água, sendo a saída da mistura para a
tubagem de rega, efectuada através do efeito de Venturi,
com válvula-parafuso de regulação da saída, em que a
concentração da mistura adubo+água varia geralmente
entre 5 x 10-4 e 2 x 10-2, em relação à água de rega.
Possui vantagens e inconvenientes intermédios entre a
instalação-tipo anterior a que se segue.
3) bomba injectora de adubo (Fig. 4), accionada hidráulica
ou electricamente, assegurando uma concentração
constante até níveis muito baixos tal como 5 ppm; é uma
aparelhagem de grande rigor, embora mais frágil e de
custo mais elevado que as instalações-tipo anteriores.
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
Para que se possa utilizar mais eficientemente a miniaspersão
no combate à geada, será necessário que os microtubos
de ligação dos miniaspersores à tubagem tenham comprimento suficiente para que os miniaspersores possam regar
as culturas (geralmente árvores de fruto) nos períodos de
formação de geada, através de suportes apropriados para
que a rega seja efectuada por cima das copas. É necessário
ainda conhecer a qualidade da água nos meses frios,
normalmente de melhor qualidade do que nos meses
quentes, e que permita a rega sem que as culturas (árvores)
sejam danificadas.
11.3.1.4 Combate às altas temperaturas
Fig. 4 - Bomba injectora utilizada num sistema de fertirrega gota a
gota em alface.
11.3.1.2 Pestirrega
A pestirrega está dividida em pestirrega propriamente dita
(combate aos fungos e pragas) e em herbirrega (aplicação
de herbicidas). A pestirrega é praticamente utilizada na
rega localizada em alguns países estrangeiros, e muito raramente no nosso país, devido ao desconhecimento do seu
manuseamento e aplicação, como ainda grande parte
dos produtos não estarem homologados em Portugal. A
herbirrega tem interesse de utilização na rega gota a gota
e na rega por aspersão, em instalações estacionárias totalmente fixas e semoventes center-pivot, devendo-se neste
último caso parar imediatamente o funcionamento da
instalação caso haja vento. As instalações-tipo utilizadas
são do tipo bomba injectora, conforme descrito para a
fertirrega.
A rega por aspersão e miniaspersão poderá ser aplicada no
combate às altas temperaturas, sem que haver o objectivo
de humedecimento do solo. Assim dois exemplos serão
apresentados, como se segue:
1) É usual verem-se aspersores ou miniaspersores em
funcionamento por cima das estufas em dias muito
quentes com o objectivo de diminuir a temperatura no
interior das estufas; geralmente a água pulverizada é
recuperada e reutilizada.
2) No Verão, nas horas de maior calor, há culturas em que a
parte aérea é queimada pelo sol. Assim utiliza-se a rega
por aspersão ou a miniaspersão durante essas horas com
o intuito de diminuir a temperatura, e assim combater os
seus efeitos nocivos; é usual utilizar este tipo de combate
em alguns campos relvados, como o caso dos campos de
golfe.
11.3.1.5 Rega qualitativa
11.3.1.3 Combate à geada
O combate á geada através de sistemas de rega sob pressão
é uma prática de custo elevado na rega por aspersão em
virtude de exigir instalações totalmente fixas funcionando
ainda todos os aspersores simultaneamente. Contudo o
sistema de rega por aspersão é o mais eficiente no combate
à geada. Segue-se-lhe a miniaspersão e por último a rega
gota a gota.
A principal vantagem destes sistemas de rega no combate
à geada deve-se ao facto da libertação de 80 calorias por
grama de água fornecida (Raposo, 1994), que corresponde
ao calor latente de solidificação da água, e que equilibra
as respectivas perdas de calor por radiação nocturna. Além
desta vantagem, concorre para o combate à geada com a
rega, formação de uma atmosfera nebulosa, aumento da
humidade relativa do ar e da condutibilidade térmica do
terreno, transformação de energia cinética em energia
térmica (impacto das gotas) e a temperatura positiva a que
se encontra a própria água de rega.
É sobretudo utilizada, através de aspersores e miniaspersores, para tornar mais saliente a coloração de certas plantas ornamentais e da fruta, em que é fixada certos pigmentos, com diminuição dos teores de clorofila.
11.3.2 Águas não convencionais
11.3.2.1 Águas salinas
Segundo Beltrão e Ben Asher (1997a), o coeficiente de
emurchecimento não é uma constante de humidade do
solo, mas é também afectado pela concentração de sal no
solo; quanto maior for a concentração de sal na solução do
solo, maior será o pressão osmótica. Isto significa que a
cultura murcha a teores de água do solo mais elevados,
ou alternativamente, quanto maior for a concentração
salina da solução do solo, maior será o teor e água do solo
ao coeficiente de emurchecimento, e menor será a capacidade utilizável do solo para a água.
187
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
Que as concentrações de sal na água de rega e na água de
drenagem, respectivamente ci e cd, estão em equilíbrio, o
teor de água do solo ao coeficiente de emurchecimento,
será obtido por:
θwp(Ψm + Ψ0) = θwp(Ψm) + ∆θwp(Ψ0)
(3)
em que
θwp(Ψm + Ψ0) é a soma do teor de água do solo ao coeficiente
de emurchecimento não salino
θwp(Ψm), mais o aumento do teor de água ∆θwp(Ψ0) devido
à salinidade.
CASO 2 - Sem lixiviação na zona radicular, a eq. (5) tomará
a seguinte forma
θwp(Ψm + Ψ0)2 = (ci . θfc) . (cd )
-1
(8)
A componente-chave do sistema dinâmico SPAC (soil-plantatmosphere continuum) é a solução do solo (Fig. 5). O teor
em água e iões varia dinamicamente na solução, e é afectado
por um grande número de processos, dos quais salienta-se a:
Evapotranspiração - quanto maior for a água transferida
da planta e do solo para a atmosfera, por transpiração e
evaporação, maior será a concentração de sais no solo;
Absorção de iões pela planta intensa absorção de minerais
do solo é acompanhado pela redução da salinidade do solo.
Dois casos terão que ser considerados:
CASO 1 - Com lixiviação na zona radicular, a eq. (5) tomará
a seguinte forma
θwp(Ψ0)1 = {[ci - (L . Dr )] . θfc} . [cd - (L . Dr )]
-1
-1
-1
(4)
sendo
-1
L = (Qi - A . ETa) . cd . Vs
(5)
e
-1
Dr = Qi . Vs
(6)
Fig. 5 - Representação esquemática do sistema "solução do solo"
(Beltrão, 1993)
e quando a fracção de lixiviação for considerada
-1
ETa = (Qi - Qd) A
(7)
em que
ci cd são as concentrações de sal na água de rega e na água
de drenagem, respectivamente (kg m-3);
θfc
é o teor volumétrico da água do solo; à capacidade de
campo (m3 água . m-3 soil);
O balanço salino do solo para as culturas regadas, que inclui
todos os inputs, outputs e os termos de acumulação para
dentro e para fora da zona radicular é dado pela seguinte
equação:
INPUT = OUTPUT + ACUMULAÇÃO
(9a)
Sr + Si + Sg + Sl + Sf = Sd + Sp + Sc + ∆Sa + ∆Ss
(9b)
em que
L
é a taxa de lixiviação (kg sal d-1);
Dr
é o coeficiente de fluxo da drenagem (d-1);
Sr - Sal fornecido pela água das chuvas
Qi e Q d são, respectivamente, as taxas volumétricas de
água de rega e de drenagem (m3 d-1);
A
Sd - Sal removido pela água de drenagem
Sl - Sal dissolvido proveniente da lavagem do solo
∆Sa - Variação na quantidade de iões absorvidos
∆Ss - Variação na quantidade de sais solúveis
Si - Sal fornecido pela água de rega
é a superfície de evaporação (m2);
Sg - Sal fornecido pela toalha freática
ETa é a taxa da evapotranspiração real da cultura;
Sf - Sal dos fertilizantes
Sp - Sais precipitados
Vs
188
é o volume de solo considerado (m );
3
Sc - Iões absorvidos pela plantas
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
A necessidade de lixiviação do solo é definida pela eq. 10,
como se segue:
Qil = [Cd / (Cd - Ci)]. A. Eta
(10)
Em que :
Qil - Volume de água de rega, satisfazendo simultaneamente o consumo de água da cultura e as necessidades
e lixiviação (m3);
A - Área da parcela (m2)
ETa - Evapotranspiração real da cultura (m)
Partindo de dados reais, MAAS & HOFFMAN (1977) encontraram entre a salinidade do solo e a produção das
culturas uma relação linear, que se pode expressar pela
seguinte fórmula:
Y = 100 - b (CE - a)
contaminação solo e das águas subterrâneas. Resposta
da alface aos efeitos combinados da salinidade da água
de rega com (N1 - 15 g de NH4NO3 por planta) e sem
fertilização azotada (N0), de acordo com o modelo de
Maas e Hoffman (1977) e com Beltrão et al. (2002a). De
acordo com a eq. 11 mostra que a tolerância (a) para N0
é menor que para N1, o que significa que a produção
relativa (%) se mantém constante a 100 % até 20 g de
NaCl planta-1 para N0, e cerca de 40 g de NaCl planta-1
para N1. Por outro lado, a sensibilidade (b), isto é, a taxa
de redução de produção relativa por aumento de
unidade de salinidade, é maior para NO do que para N1;
portanto, para maiores valores da tolerância, a produção
relativa diminui de cerca de 5 % por cada aumento de 10 g
de NaCl planta-1, sendo de 10 % a redução para o nível N1.
(11)
em que:
Y- produção relativa da cultura (%);
CEs - salinidade do solo ou da água, expressa em condutividade eléctrica do extracto de saturação do solo ou da
água (dS.m-1);
a-
valor limiar de salinidade (dS.m-1) a partir do qual
decresce a produção, a que se chama tolerância;
b-
percentagem de decréscimo de produção por unidade
de acréscimo de salinidade, a que se chama sensibilidade, e que é definida por
b = dY / dCE
(12)
As técnicas convencionais de combate e controlo do processo
de salinização pode ser caracterizado por quatro gerações:
1) Problema da contaminação da zona radicular pela lixiviação do solo (que pode ocorrer em duas situações quando há um horizonte impermeável, os sais concentram-se acima deste horizonte; por outro lado, quando
não existe horizonte impermeável, pode haver contaminação dos aquíferos,
2) Uso de rega gota a gota subterrânea - grande economia
de água, e portanto menos sais dissolvidos serão adicionados, mas pode continuar a haver problemas da contaminação das águas subterrâneas, devido à precipitação
natural ou à lixiviação artificial;
3) O aumento da fertilização aumenta a tolerância
(Beltrão et al., 1993) à salinidade (contudo a sensibilidade à salinidade também aumenta), mas a contaminação será aumentada devido aos fertilizantes adicionados (Beltrão et al. 1997);
4) Culturas tolerantes à salinidade - esta técnica é muito
útil para as plantas, mas não resolve o problema da
Salinidade acumulada (g NaCl planta-1)
Fig. 6 - Resposta da alface aos efeitos combinados da salinidade
da água de rega com (N1 - 15 g de NH4NO3 por planta) e sem
fertilização azotada (N0), de acordo com o modelo de Maas
e Hoffman (1977) e com Beltrão et al. (2002).
O processo de salinização do solo pode ser dividido nas
seguintes fases (Beltrão, 1992):
1 - Origem dos sais (sais locais e sais transportados)
2 - Transporte (água e vento)
a) Água - Infiltração descendente (rega e linhas de água)
Infiltração ascendente (toalha freática e água do mar)
b) Vento
3) - Acumulação no solo (causas naturais e actividades
humanas)
a) Causas naturais - sem lixiviação
- sem técnicas ambientalmente limpas
- evaporação
b) Actividades humanas - Compactação do solo e
formação de impermes
- Elevação do nível da toalha freática
- Rega imprópria (uso de água salina mal aplicada)
189
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
Em Portugal, verificam-se maiores problemas de salinização nas zonas mais áridas (como o Alentejo e o Algarve) e
costeiras, em virtude de a água nestas regiões ser limitada.
Este problema é intensificado devido à intrusão da água do
mar que resulta da redução dos níveis freáticos dos aquíferos,
quando a taxa de bombeamento excede a taxa de recarga,
tornando as águas subterrâneas mais salinas. Estas águas
de pior qualidade têm repercussões negativas nas produções
das culturas regadas (Ben Asher et al., 2002).
A única maneira para controlar o processo de salinização e
de manter a sustentabilidade dos espaços verdes e dos
campos agrícolas é combater a salinização através de técnicas
limpas e ambientalmente seguras, como se segue:
11.3.2.2 Águas residuais
É habitual classificar as águas residuais de acordo com a
sua origem, conforme é apresentado no QUADRO n.º 3
(Gamito, 1998).
QUADRO 3 - CLASSIFICAÇÃO DAS ÁGUAS RESIDUAIS DE
ACORDO COM A SUA ORIGEM (Gamito, 1998)
CLASSIFICAÇÃO
- Habitações domésticas (higiene e cozinha)
- Restaurantes e comércios
1) Uso de espécies que removem o sal do solo (Beltrão et al.,
2001; Cuartero et al., 2002);
URBANAS
- Serviços
- Infiltrações subterrâneas
2) Uso de espécies tolerantes à sede;
- Ligações e descargas clandestinas
3) Redução da aplicação de sal através de menores
dotações de água residual;
- Matadouros
4) Reutilização de limite mínimo de dotação de água residual
suficiente para obtenção de uma boa aparência visual
dos espaços verdes (Costa et al., 2002).
A Fig. 7 mostra as percentagens médias, desvios padrão
e resultados do teste Dunnett T3, de Cl - em folhas dos
relvados - agrostis, "kikuyugrass", bermuda regada e
bermuda de sequeiro (Costa, 2003), mostrando assim a
capacidade de remoção de sal (ião Cl-) de diferentes
cultivares de relvas.
2,5
Percentagem de Cl
-
2
1,5
1
a
a
0,5
a
b
b
0
Agrostis regada
Kikuyugrass regada
Bermuda regada
Bermuda sequeiro
Relvados
Fig. 7 - Percentagens médias, desvios padrão e resultados do teste
Dunnett T3, de Cl - em folhas dos relvados - agrostis, "kikuyugrass", bermuda regada e bermuda de sequeiro (Costa,
2003), mostrando assim a capacidade de remoção de sal
(ião Cl ) de diferentes cultivares de relvas.
190
ORIGEM
ÁGUAS
RESIDUAIS
- Cantinas
INDUSTRIAIS
- Transformadoras de produtos alimentares
- Fábricas
- Transformadoras de petróleo
- Hospitais e laboratórios
- Adegas e lagares
AGRÍCOLAS - Hidroculturas
- Pecuária (chorumes)
Podemos dividir os problemas ambientais que possam surgir
em três tipos: microorganismos patogénicos (principalmente nas águas residuais urbanas), salinidade (comum a
todas as águas residuais) e metais pesados (principalmente
nas águas residuais industriais). Em relação a estes problemas,
a legislação portuguesa (QUADRO 4) admite a reutilização
de águas residuais adequadamente tratadas para grande
parte das culturas (Decreto-Lei nº 236/98), faltando-lhe
todavia critérios mais específicos de qualidade microbiológica e também critérios em relação aos sistemas de rega
utilizados e características dos solos a regar e salinidade.
Nessas condições, fazem-se algumas recomendações relativamente a concentrações de microrganismos patogénicos,
expressos em cfu (colony forming unit) / 100 ml de E.coli,
de acordo com recomendações do 2º Seminário em
Reutilização de Águas Residuais no Mediterrâneo (2001):
Rega de espaços verdes (parques, jardins, campos de golfe
e de outros desportos), estufas, hidroponia e culturas
hortícolas - 200 cfu / 100 ml; pomares e vinhas regados por
aspersão - 200 cfu / 100 ml, pomares e vinhas regados gota
a gota e forragens - 1000 cfu / 100 ml; culturas industriais
- 1000 cfu / 100 ml.
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
Para o caso de problemas de salinidade, os aspectos mais
importantes referiram-se na alínea 11.2.2.1.
Através da literatura disponível, com vista a evitar problemas
de contaminação, sugerem-se que se verifiquem as
seguintes medidas:
a) Profundidade mínima da toalha freática
(Beltrão et al., 1996b):
1) Sistema de rega gota a gota superficial -1.5 m
2) Sistema de rega gota a gota enterrada ou miniaspersão - 2 m
3) Sistema de rega por aspersão - 3 m
4) Sistema de rega por gravidade - 5 m
Estes valores poderão ser diminuídos de 20 %, para texturas
e teores de água do solo (potencial mátrico do solo) mais
favoráveis.
b) Distância mínima a zonas urbanas
1) Velocidade do vento durante a rega superior a 2 m s-1
Rega por aspersão - 500 m (Beltrão, 1976; Oron &
Beltrão, 1993)
Rega por miniaspersão 100 m
2) Velocidade do vento durante a rega inferior a 2m s-1
Rega por aspersão - 200 m
Rega por miniaspersão - 50
3) Calma - sem vento durante a rega
Rega por aspersão - 100 m
Rega por miniaspersão - 20 m
c) Identificação do local regado com águas residuais depuradas
1) Estes locais deverão estar identificados com a designação "Água não potável".
Como foi dito, a legislação portuguesa (QUADRO 4) admite
a reutilização de águas residuais adequadamente tratadas
para grande parte das culturas (Decreto-Lei nº 236/98),
faltando-lhe todavia critérios mais específicos de qualidade
microbiológica e também critérios em relação aos sistemas
de rega utilizados e características dos solos a regar e
salinidade.
Verifica-se que as regiões mais a sul de Portugal (Alentejo e
Algarve) são as de maiores necessidades hídricas, sendo,
por isso a reutilização de águas residuais já utilizada, com
crescente desenvolvimento a partir de 1987 através do programa PEDAP (Marecos do Monte, 1996). Contudo destas
regiões, é o Algarve que possui maiores necessidades hídricas mais elevadas durante o Verão, devido ao elevado fluxo
turístico que se verifica nesta época, acrescido pelo elevado
número existente de campos de golf e explorações
hortofrutícolas. Esta reutilização das águas residuais
tratadas na rega será muito mais interessante nesta região,
principalmente nos pomares e vinhas (rega gota a gota e
miniaspersão) e nos campos de golf (rega por aspersão),
aonde já se nota a sua reutilização.
Em Portugal a reutilização de águas residuais tem sido
quase exclusivamente efectuada na rega de espaços verdes
(parques, jardins, campos de golfe e de outros desportos),
estufas, pomares e vinhas, culturas hortícolas e outras
de consumo humano, culturas industriais, forragens e
viveiros). Contudo, a reutilização das águas residuais
tratadas poderia estender-se também a usos residenciais
(sistemas de ar condicionado, lavagem do automóvel,
jardim privado, autoclismos), usos urbanos (lavagem das
ruas, combate a incêndios, fontes decorativas), usos industriais (refrigeração), usos florestais (combate a incêndios,
descargas na floresta), e à recarga de aquíferos.
2) Sempre que haja problemas de poluição na região, no
local de recepção dos efluentes, nas respectivas bacias de
recepção e/ou no equilíbrio ecológico do meio, deverá
essa região passar a ser classificada Zona Poluída, devendo
a mesma ser identificada com sinais inerentes aos perigos
em causa.
d) Profundidade de rega com água residual depurada,
máxima aconselhável, para valores de profundidades
da toalha freática superiores a 5,00 m:
Espécies herbácias - 1,00 m
Árvores de fruto - 1,50 m
Floresta - 2.00 m
191
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
QUADRO 4 - DECRETO-LEI NR. 236/98 (1998)
Parâmetros
Símbolos Unidades
VMR
VMA
Alumínio
Al
ppm
5.0
20
Arsénio
As
ppm
0.10
10
Bário
Ba
ppm
1.0
-----
Berílio
Be
ppm
0.5
1.0
HCO3
ppm
-----
-----
Boro
B
ppm
0.30
0.75
Cádmio
Cd
ppm
0.01
0.05
Chumbo
Pb
ppm
5.0
20
Cloretos
Cl
ppm
70
-----
Cobalto
Co
ppm
0.05
10
Cobre
Cu
ppm
0.20
5.0
Crómio
Cr
ppm
0.10
20
Estanho
Sn
ppm
2.0
-----
Ferro
Fe
ppm
5.0
-----
Flúor
F
ppm
1.0
15
Lítio
Li
ppm
2.5
5.8
Manganésio
Mn
ppm
0.20
10
Mercúrio
Hg
ppm
-----
-----
Molibdénio
Mo
ppm
0.005
0.05
Níquel
Ni
ppm
0.5
2.0
Nitratos
NO3
ppm
5.0
----
Nitritos
NO2
ppm
-----
----
Salinidade
ECw
dS/m
1.00
----
Selénio
Se
ppm
0.02
0.05
Sulfatos
SO4
ppm
575
-----
Vanádio
V
ppm
0.10
1.0
Zinco
Zn
ppm
2.0
10.0
pH
6.5 - 8.4
4.5 - 9.0
Bicarbonatos
pH
Coliformes Fecais
MPN/100ml
100
-----
Ovos de parasitas
Intestinais
Nº/l
-----
1.0
VMR - Valor Máximo Recomendável
VMA - Valor Máximo Admissível
192
Qualidade das águas
destinadas à rega
Os estudos a efectuar com a rega com águas residuais têm
normalmente dois objectivos: O primeiro relaciona-se com
os níveis de contaminação provocada por essas águas no
solo, linhas de água receptoras e nas culturas com elas
regadas para os diferentes sistemas de rega. O segundo
objectivo relaciona-se com a resposta da produção e crescimento das culturas à rega com águas residuais, incluindo
além da componente água (Asano, 1998), a componente
fertilizante (Costa et al.,2002).
A rega por aspersão com águas residuais é aplicada principalmente no Algarve, em campos de golfe. Inicialmente, a
rega era efectuada apenas em viveiros de relva e em zonas
vedadas aos golfistas, como prevenção à contaminação.
Contudo, com a adopção de tratamentos terciários adequados
e, principalmente, com a aplicação das radiações ultravioletas e dos modernos filtros, nomeadamente membranas, o
nível de concentração patogénica é de tal modo baixa, que
não é de prever a contaminação das relvas.
Os problemas causados pelos sistemas de rega não convencional, (nomeadamente os relacionados com reutilização
de águas residuais) poderão ser estudados, recorrendo a
modelos de simulação, respectivamente, para aspectos de
contaminação ambiental (Beltrão et al., 2002 b) e para
aspectos económicos (Penkova et al., 2002).
Em relação às águas residuais agrícolas, os chorumes são
utilizados, juntamente com os dejectos sólidos triturados
das instalações pecuárias, sendo distribuídos no solo
através de aspersores especiais, que possuem agulhetas de
maior diâmetro e em borracha para permitirem mais facilmente a passagem de matérias sólidas. Dado o seu pobre
teor em fósforo em relação aos restantes macronutrientes
é usual fazer a sua correcção. É evidente que os chorumes
são IMPRÓPRIOS para utilização na rega localizada.
11.3.2.3 Águas de drenagem
As características das águas de drenagem provenientes das
zonas urbanas poderão aproximar-se mais das características
das águas residuais; as provenientes da drenagem de
explorações agrícolas aproximam-se mais das características
das águas salinas; estas últimas poderão ainda estar contaminadas por pesticidas.
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
11.4 Eficiência de rega e sua classificação
11.4.1 Eficiência de transporte (et)
Et = 100 (Wf /Wd)
(13)
em que
Wf - água aplicada durante a rega na respectiva parcela;
Wd - água proveniente da fonte de abastecimento
Esta eficiência Et está muito relacionada com as fugas de
água, estado de conservação das tubagens e dos grupos
motor-bomba e sua eficiência. É de salientar a importância
da pressurização a pressão constante (implicando naturalmente a integração da variação de velocidade nos motores
eléctricos) garantindo a dispersão da água eficientemente
com o mínimo consumo energético ou seja, só pressiona
o volume de água ajustado às necessidades hídricas das
culturas (Vide Capítulo 3).
11.4.2 Eficiência de distribuição (ed); referência
ao coeficiente de uniformidade de distribuição de água de christiansen (cuc)
É frequente utilizar o coeficiente de uniformidade de
distribuição de água Christiansen (CUC) como a eficiência
de distribuição Ed
Ed (CUC) = 100 {1 - [ ( Σ | X | ) / (m x n) ] }
(14)
em que
m - média (sistemas de rega por gravidade - profundidade
de rega; sistema de rega sob pressão
- dotação de rega)
X - desvio à média
n - número de observações (amostras recolhidas de amostras)
Fig. 8 - Campo experimental de batateira, regada por aspersão,
com udómetros para a determinação da eficiência de
distribuição Ed.
11.4.3 Eficiência de aplicação (ea)
Ea = 100 (Ws / Wf)
(15)
em que
Ws - água armazenada na zona radicular
A eficiência Ed está relacionada principalmente: com a)
características físicas do solo e declive (sistemas de rega
por gravidade); b) velocidade do vento e temperatura
durante a rega, características de funcionamento e qualidade dos aspersores e grau de pulverização (sistemas de
rega por aspersão); problemas de entupimento e qualidade
dos gotejadores ou miniaspersores (sistemas de rega localizada). O QUADRO 5 apresenta as perdas de água durante a
rega, em função da velocidade do vento e temperatura para
aspersores de alto grau de pulverização (Beltrão, 1976), de
acordo com Achtnich (1966).
QUADRO 5 - PERDAS MÉDIAS DE ÁGUA DURANTE A REGA
EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA E DA VELOCIDADE DO VENTO;
PARA ASPERSORES DE ALTO GRAU DE PULVERIZAÇÃO
PERDAS MÉDIAS DE ÁGUA DURANTE A REGA (%)
A Fig. 8 mostra um campo experimental de batateira, regada
por aspersão onde foram recolhidas amostras dos udómetros para determinação da eficiência de distribuição.
A eficiência Ed está relacionada principalmente: com a)
características físicas do solo e declive; b) velocidade do
vento, diagrama pluviométrico, características de funcionamento e qualidade dos aspersores e grau de pulverização
(sistemas de rega por aspersão); problemas de entupimento
e qualidade dos gotejadores ou miniaspersores (sistemas
de rega localizada).
Temp.
(° C) 0,0 0,5
5
1,0 2,0
10 2,0 3,0
15 3,0 4,0
20 3,5 4,5
25 4,0 6,0
30 6,0 8,0
35 8,0 9,5
40 12,0 13,0
45 15,0 17,0
Velocidade do vento (m s-1)
1,0
4,0
5,0
5,5
6,0
7,5
8,5
10,5
14,0
18,5
1,5
5,0
6,0
6,5
7,5
9,0
10,0
11,5
15,0
20,0
2,0
7,0
7,5
8,0
9,0
10,0
11,5
13,0
17,0
21,0
2,5
9,0
9,5
10,0
12,0
12,5
13,5
16,0
19,0
23,0
3,0
12,0
12,5
13,0
13,5
14,0
16,0
18,0
21,0
25,0
3,5
15,0
16,0
16,5
17,0
18,0
20,0
21,5
25,0
30,0
4,0
20,0
21,0
22,0
22,5
24,0
25,5
27,0
31,0
35,0
4,5
25,0
26,0
27,0
28,0
30,0
31,5
33,0
36,0
40,0
5,0
30,0
31,0
32,0
33,0
34,0
35,0
37,0
40,0
45,0
193
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
11.4.4 Eficiência de armazenamento
Es = 100 (Ws / Wn)
- temperatura durante a rega
(16)
em que
- rega por aspersão - grau de pulverização, diagrama pluviométrico, qualidade e características dos aspersores; e
velocidade do vento
Wn - água necessária na zona radicular
- rega localizada - problemas de entupimento, qualidade e
características dos gotejadores e miniaspersores
11.4.5 Eficiência de uso de água
em que
A transpiração, a assimilação e a produção estão associadas,
porque o vapor de água e o CO2 passam através dos mesmos
estomas, utilizando-se geralmente para expressar as relações entre estes parâmetros o coeficiente de transpiração
CT, definido por (Achtnich,1966):
Y - Produção;
CT = T / MS
Eu = Y / ETa
(17)
ETa - Evapotranspiração real da cultura.
T - transpiração (m3 de água);
MS - matéria seca produzida (kg)
11.4.6 Eficiência total de rega
Segundo (Oliveira, 1993); a eficiência de rega Er total que
deverá ser utilizada nos cálculos da dotação real de rega é:
- a nível da parcela de rega (Er)
Er = Ea . Ed
(18)
- a nível do perímetro de rega (ERp)
Erp = Ea . Ed . Ep
(19)
11.5 Eficiência de rega e consumo de
energia nos sistemas de rega sob
pressão
11.5.1 Valores médios e técnicas de maximização da eficiência de rega
Os valores médios geralmente atribuídos à eficiência de
rega Er a nível da parcela de rega são: gravidade (0,40 - 0,80);
subterrânea (0,80); aspersão (0,70 - 0,85); miniaspersão
(0,85 - 0,90); gota a gota superficial (0,90 - 0,95); gota a
gota subterrânea (0,95 - 1,00).
Maximiza-se a eficiência de rega - MAXIMIZANDO A
TRANSPIRAÇÃO E A UNIFORMIDADE DE DISTRIBUIÇÃO DE
ÁGUA E MINIMIZANDO A EVAPORAÇÃO DIRECTA.
Parâmetros que condicionam a eficiência de rega
Valores médios de CT : cana de açúcar (0,7 - 1,0); luzerna
(0,6 - 0,9); batata (0,3 - 0,6); ervilha (0,4 - 0,5); milho (0,2 - 0,4),
amendoeira (0,3 - 0,5), feijão (0,45 - 0,55), trigo (0,35 -0,50),
beterraba (0,30 - 0,50),
Para o cálculo da eficiência total Er no caso da rega gota a
gota, Keller e Karmeli (1975) consideram apenas a transpiração T e não a evapotranspiração real da cultura ETa, visto
que das componentes da evapotranspiração, a evaporação
directa não estar associada à produção, ao contrário do que
se verifica com a transpiração. Assim este tipo de eficiência
deverá ser apenas aplicado no caso da rega gota a gota
superficial e subterrânea. No caso especial da rega gota a
gota subterrânea toda a água aplicada será consumida
praticamente apenas por transpiração (Oron e Beltrão,
1993), sendo neste caso T = ETa. Os principais parâmetros
que condicionam a relação transpiração / evapotranspiração
são o índice de área foliar IAF, a radiação e o compasso
(Beltrão & Ben Asher,1997b; Beltrão et al., 1997). Nestas
condições, a eficiência total Er(T) seria dada pela expressão:
Er(T) = RT . Ed
194
(21)
sendo
RT = 100 (T / Wf)
(22)
em que
Er (T) - eficiência total Er específica para o caso da rega gota
a gota.
- características físicas do solo
- declive do solo
(20)
RT - relação de transpiração
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
11.5.2 Elementos e parâmetros de rega a utilizar no cálculo do consumo de energia
- número de dias úteis por semana;
Os elementos necessários a utilizar no cálculo do consumo
de energia nas instalações de rega sob pressão em Portugal,
por hectare regado, seguem os conceitos adoptados por
Raposo & Beltrão (1982), e são apresentados nos QUADROS
6 e 7, e incluem os seguintes factores:
- rendimento total dos grupos motor-bomba (%);
- altura manométrica total (m);
2 - As dotações de rega diárias de ponta estão compreendidas
entre 4 e 6 mm d-1 (40 a 60 m3 ha-1) e os volumes anuais
de rega entre 3400 e 5100 m3 ha-1 (valores úteis teóricos,
isto é, sem incluir a eficiência e rega e a percentagem de
solo humedecido).
-1
- caudal de ponta ( m3 h )
3
- Volume anual de rega (m )
3 - A percentagem de solo humedecido, de acordo com o
conceito de Keller e Karmeli (1975), no que respeita à
rega localizada, está compreendida entre 30 e 50 % nos
pomares, e 50 a 70 % nas culturas hortícolas ao ar livre,
e 70 a 90 % nas culturas hortícolas e ornamentais em
estufa.
- Potência dos grupos motor-bomba, eléctricos (kW) ou
térmicos (HP)
- Consumos dos grupos motor-bomba (kWh ou L de gasóleo)
Os valores destes elementos foram obtidos a partir das
condições seguintes (QUADROS 6 e 7):
4 - Quanto às culturas em estufa:
1 - Valores médios dos seguintes parâmetros de rega:
- não aproveitamento das águas pluviais;
- eficiência de rega (%);
- ocupação ao longo do ano na ordem de 80 %;
-1
- duração útil diária de rega (h d );
- diminuição da evapotranspiração da ordem dos 30 %
QUADRO 6 - ELEMENTOS E PARÂMETROS DE REGA A UTILIZAR NO CÁLCULO DO CONSUMO DE ENERGIA
DAS INSTALAÇÕES DE REGA SOB PRESSÃO
TIPO DE INSTALAÇÃO
EFICIÊNCIA
DE REGA Er
(%)
DURAÇÃO ÚTIL
DAS REGAS
Por dia
(h)
Por semana
(d)
ALTURA
MANOMÉTRICA
TOTAL (m)
NECESSIDADES
HÍDRICAS
débito de ponta
(m3 h-1)
volume anual
(m3)
REGA POR ASPERSÃO
Estacionárias
- Móveis
80
10
5,5
60
6,4-6,9
4300-6400
- Semi-fixas
80
12
5,5
60
5,3-8,0
4300-6400
- Fixas
85
18
7
60
2,6-3,9
4000-6000
- Sistemas pivot
85
20
7
80
2,7-4,0
4500-6800
- Canhões autom.
70
16
5,5
100
4,5-6,8
4900-7300
90
20
7
40
1,1-2,7
1900-2800
Pomares
92
20
7
40
1,1-1,6
1800-2800
Hort. ar livre
92
20
7
35
1,5-2,3
2600-2900
Hort. orn. estufas
95
20
7
35
1,0-1,6
1700-2000
Semoventes
REGA LOCALIZADA
Miniaspersão
Gota a gota sup.
195
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
11.5.3 Consumo anual de energia para instalações de rega sob pressão
Os valores médios do consumo de energia nas instalações de rega sob pressão em Portugal, por hectare regado, são apresentados no QUADRO 7.
QUADRO 7 - CONSUMO ANUAL DE ENERGIA PARA INSTALAÇÕES DE REGA SOB PRESSÃO
MOTOR ELÉCTRICO (µt = 75 %)*
MOTOR DIESEL (µt = 60 %)*
TIPO DE INSTALAÇÃO
POTÊNCIA (kW)
CONSUMO ANUAL (kWh)
POTÊNCIA (HP)
CONSUMO ANUAL
(L gasóleo)
- Móveis
1,4 - 2,1
950 - 1500
2,3 - 3,5
380 - 570
- Semi-fixas
1,2 - 1,8
950 - 1500
2,0 - 3,0
380 - 570
- Fixas
0,9 - 1,4
950 - 1400
1,0 - 1,5
380 - 560
- Sistemas pivot
0,6 - 0,9
1400 - 2100
1,3 - 2,0
540 - 810
- Canhões autom.
1,7 - 2,5
2000 - 2800
2,8 - 4,2
720 - 1100
0,17 - 0,25
290 - 430
0,28 - 0,41
120 - 170
REGA POR ASPERSÃO
Estacionárias
Semoventes
REGA LOCALIZADA
Miniaspersão
Gota a gota sup.
Pomares
0,16 - 0,24
280 - 420
0,27 - 0,40
110 - 160
Hort. ar livre
0,19 - 0,29
350 - 520
0,33 - 0,49
140 - 200
Hort. orn. estufas
0,13 - 0,20
240 - 360
0,22 - 0,34
90 - 140
* Rendimento total do grupo motor-bomba
Os valores dos elementos apresentados nos QUADROS 6 e 7
deverão ser utilizados com alguma reserva, uma vez
que representam valores médios para condições médias. Os
valores apresentados mostram uma grande diversidade
de valores entre os vários sistemas de rega, tipos de instalação e modalidades respectivas de funcionamento.
Mostram-se, principalmente, diferenças entre a rega por
aspersão (e o que se verifica entre as instalações estacionárias e semoventes) e a rega localizada, nomeadamente
no que diz respeito às potências dos grupos motor-bomba
e ao consumo anual de energia (eléctrica ou térmica). Há
ainda duas grandes vantagens que contribuem para
diminuir o consumo de energia, a saber - a) o aumento do
nível de automatização, quer para os sistemas de rega por
gravidade (Serralheiro, 1986), quer para os sistemas de rega
196
sob pressão (Raposo, 1996a) que, além de contribuir para a
diminuição da mão de obra, permite um controlo da rega
muito maior, conseguindo-se obter consumos mais baixos;
b) o aumento do rendimento do grupo motor-bomba e a pressurização a pressão constante, garantindo o bombeamento
da água o mínimo consumo de energia. Nos QUADROS 8 e
9 apresentam-se valores representativos do custo do m3 de
água em zonas áridas de Portugal (Algarve) e de Espanha
(Baleares), de acordo com estudos efectuados, respectivamente por Raposo e Beltrão (1982) e Costa (2003) para
o Algarve e Brissaud (2003) para as Ilhas Baleares. Nestes
valores foram incluídos os custos dos materiais dos sistemas
de rega sob pressão e os problemas económicos a que estão
associados, como os prazos de amortização, longevidade e
manutenção das instalações (Beltrão, 1986).
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
QUADRO 8 - CUSTO MÉDIO DA ÁGUA DE REGA NO
ALGARVE, EM FUNÇÃO DA SUA ORIGEM (EURO/m3)
ORIGEM DA ÁGUA
Subterrâneas
Na parcela Energia aplicada Instalação TOTAL
0,04
0,05
0,15
24
Part. Superficiais
---
0,05
0,15
20
Rede superficiais
0.06
0,01
0,15
22
---
0,05
0,15
20
Residuais tratadas*
1) eficiência de rega, incluindo a das utilizações
polivalentes;
2) nível de automatização;
3) controlo da rega;
4) descontaminação ambiental (recursos hídricos
não convencionais);
*Sem tratamento adicional efectuado pelo agricultor.
5) rendimento dos grupos motor-bomba;
QUADRO 9 - CUSTO MÉDIO DA ÁGUA DE REGA NAS I.
BALEARES (Brissaud, 2003), EM FUNÇÃO DA SUA ORIGEM
(EURO / m3).
ORIGEM DA ÁGUA
Total
Subterrâneas
0.27
Part. Superficiais
0,23
Rede superficiais
0,25
Residuais tratadas
Residuais tratadas c/ tratamento adicionais
6) pressurização a pressão constante;
7) manutenção das instalações.
0,12
0,12- -0,23
11.6 Conclusões
Como notas finais deste capítulo podemos salientar a
importância da eficiência de rega no que respeita quer ao
consumo de energia, quer aos custos do material dos
respectivos sistemas de rega. Por outro lado, salienta-se
a polivalência das instalações de rega sob pressão, através
de outras aplicações adicionais à rega por humedecimento.
A utilização das águas de fontes não convencionais deverá
ser maior nas regiões mais áridas para suprir a falta de água
potável e para aumentar a fertilidade do solo; contudo,
tal prática deve ser efectuada com o maior cuidado dados
os riscos ambientais e de saúde que envolve; para manter
a sustentabilidade dos espaços verdes e dos campos
agrícolas, o seu controlo deverá ser efectuado através de
técnicas limpas e ambientalmente seguras. Em relação ao
desenvolvimento dos regadios em Portugal, verifica-se
que os sistemas de rega sob pressão começaram a substituir nos anos sessenta, através da rega por aspersão, os
sistemas de gravidade convencionais; a partir dos anos
oitenta, a rega gota a gota superficial e a miniaspersão
começaram a desenvolver-se em culturas em linhas
(hortofruticultura), tendo já surgido nestes últimos anos
sistemas de rega gota a gota subterrânea, com evidente
economia de água. Os custos elevados do consumo de
energia e dos materiais dos sistemas de rega sob pressão
e os problemas económicos e ambientais a que estão associados, levará no futuro a que os sistemas de rega sob
pressão sejam melhor concebidos e projectados, além de
uma manutenção feita em boas condições. Concorre para
isso a maximização dos seguintes parâmetros e actividades:
197
Sistemas de Rega sob Pressão: Eficiência, Polivalência e Economia
11.7 Referências bibliográficas
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199
200
Aplicação de Sistemas de Pressurização em Processos Industriais
12. APLICAÇÃO DE SISTEMAS DE PRESSURIZAÇÃO EM
PROCESSOS INDUSTRIAIS
Autores:
Pedro Farinha
Responsável de Área de Engenharia da
Hovione FarmaCiência, S.A.
Luís Olival
Gestor de Projectos de Engenharia da
Hovione FarmaCiência, S.A.
201
202
Aplicação de Sistemas de Pressurização em Processos Industriais
A Hovione
Hovione é uma empresa portuguesa dedicada à química farmacêutica. Investiga e produz com alta tecnologia e qualidade,
substâncias activas farmacêuticas. Estes produtos - exportados para mercados tão exigentes quanto os dos Estados Unidos,
Japão, União Europeia e Austrália – constituem a base activa dos medicamentos formulados por laboratórios farmacêuticos,
clientes da empresa.
Fundada em 1959 por Ivan Villax, investigador químico, a Hovione tem duas unidades fabris, em Loures e em Macau, e um
Centro de Transferência de Tecnologia em New Jersey, nos EUA.
Fig. 1 - Grupo Hovione
A principal actividade da Hovione consiste na investigação e desenvolvimento de processos de síntese e na produção de
substâncias activas farmacêuticas, apresentando duas vertentes de negócio: os produtos genéricos e o “outsourcing”
(produção em exclusivo para terceiros).
Na área dos produtos genéricos, a Hovione desenvolve a sua actividade através de processos de síntese próprios, dos quais
se destacam três grandes linhas de produtos: os antibióticos do grupo das tetraciclinas, que são agentes anti-infecciosos
usados na preparação de cápsulas e comprimidos; os corticosteróides, utilizados como anti-inflamatórios e anti-alérgicos na
preparação de pomadas e aerossóis; os agentes de diagnóstico radiológico, usados na preparação de injectáveis, que permitem
a visualização das veias, artérias e órgãos nos exames radiográficos. Durante a década de 90, a empresa desenvolveu a
segunda vertente do negócio, iniciando contratos de desenvolvimento de processos e fabricação de novos produtos para
terceiros, incluindo anti-virais e terapias anti-SIDA, anti-parasíticos e produtos utilizados em terapias oncológicas, um negócio
que neste momento representa 40% do seu volume de vendas.
A Hovione já desenvolveu mais de 100 processos de síntese química próprios e detém um número elevado de patentes a
nível mundial. Com uma facturação anual de aproximadamente 68 milhões de Euros, o Grupo Hovione investe cerca de 8%
do seu volume de vendas em investigação e desenvolvimento, 6% em projectos ambientais, 5% em qualidade e 1% em
formação, sendo de destacar a aposta feita na área da qualidade e da pesquisa, nas quais emprega mais profissionais do
que na produção.
As duas fábricas da Hovione são inspeccionadas e aprovadas pela Food and Drug Administration (FDA) dos Estados Unidos,
ambas são certificadas ISO9000. Cerca de 660 profissionais, de dez nacionalidades diferentes e com idade média de 37 anos,
trabalham na Hovione.
Outra área que tem merecido grande dedicação por parte da Hovione é a que diz respeito à protecção ambiental, na qual
investiu, desde 1990, 14,1 milhões de Euros, e que lhe valeu, em 1992, o prémio de “Melhor Meio Ambiente na Indústria”,
atribuído pela Comissão Europeia e pelo Programa Ambiental das Nações Unidas. Exemplo do compromisso que assumiu com
as questões ambientais é o facto de ter subscrito o Responsible Care Program e utilizar tecnologias GreenCycleTM.
203
204
Aplicação de Sistemas de Pressurização em Processos Industriais
12.1 Introdução
O equipamento utilizado na produção de Princípios Activos
para a Indústria Farmacêutica, por síntese química, requer
um elevado grau de exigência em termos de Qualidade,
Segurança, Ambiente e Saúde Ocupacional.
• erosão mecânica. As zonas de fricção devem ser devidamente acauteladas de modo a minimizar o risco de libertação de partículas resultantes da erosão ou desintegração para o processo. No caso das bombas deve ser
dada atenção aos empanques mecânicos, aos impulsores,
às chumaceiras e às juntas. A manutenção preventiva
deverá recorrer a inspecções periódicas visuais de todas
as zonas críticas.
As bombas centrífugas Grundfos são utilizadas em diferentes
operações do processo de fabricação de Princípios Activos,
que vão desde a simples trasfega de solventes ou misturas
reaccionais, até sistemas sofisticados de filtração por
Osmose Inversa, ou ainda sistemas de distribuição e circulação de fluidos.
É assim exigido ao fornecedor de equipamentos de processo
suporte documental (quando aplicável) para: lista e certificado
de materiais; desenhos de construção mecânicos/eléctricos/
12.2 Critérios de selecção de equipamento
de processo
12.2.2 Segurança
Os critérios de selecção de equipamento para ser utilizado
no fabrico de produtos farmacêuticos de base, baseiam-se
no elevado grau de exigência em termos de Qualidade,
Segurança, Ambiente e Saúde Ocupacional.
É requisito imprescindível a marcação CE de conformidade
juntamente com toda a documentação definida na
Directiva 94/9/CE.
12.2.1 Qualidade
O fabrico de produtos farmacêuticos de base é regido por
uma elevada exigência de qualidade, sendo necessário um
levantamento de todos os factores de risco que possam
afectar a especificação do produto. Assim, para todos os
equipamentos que contactem directamente com o produto,
é necessário fazer uma evidência documental do controle
dos possíveis contaminantes externos, provenientes desses
equipamentos, que possam afectar a qualidade do produto.
No caso das bombas centrífugas de processo, os contaminantes externos podem surgir de:
• lubrificantes ou fluidos de selagem usados nos equipamentos de processo. Quando admissíveis, os lubrificantes
deverão ser de qualidade alimentar.
• resíduos de aplicações anteriores. O desenho dos equipamentos deve ser tal que minimize as zonas mortas, tenha
superfícies não rugosas e isentas de fissuras. Facilidade
de desmontagem e montagem com reduzido número de
peças são factores também a considerar na escolha de
uma bomba.
• elastómeros (empanques, juntas, etc.) não adequados ao
processo, podem degradar-se por acção química e/ou
térmica.
• produtos resultantes da corrosão, nomeadamente metais
pesados. Materiais de construção devem ser seleccionados
de modo a minimizar a corrosão química dos componentes metálicos.
/funcionais; relatórios dos testes em fábrica; manuais de
operação/manutenção c/ recomendação de peças de reservas;
lista de lubrificantes; garantias e certificações.
Uma vez que no fabrico de produtos farmacêuticos de base
são utilizadas, em grande quantidade, substâncias inflamáveis,
os equipamentos utilizados têm que estar preparados para
funcionar em ambientes com potencial perigo de explosão,
ou seja têm que ser construídos e instalados em conformidade
com a Directiva ATEX 94/9/CE, em vigor desde 30 de Junho
de 2003.
Esta directiva cobre os requisitos técnicos a serem considerados, desde a certificação dos componentes eléctricos
como anti-deflagrantes para a classe de temperatura a que
possam estar sujeitos, bem como certificação que ateste a
adequabilidade da solução ao processo e local onde se
insere. Esta certificação é resultante de uma avaliação dos
riscos envolvidos, de forma a projectar o equipamento e a
sua instalação de modo a evitar a formação de atmosferas
explosivas e fontes de ignição, e quando se verifique uma
explosão o equipamento deverá ter meios que permitam
interromper imediatamente a deflagração e/ou limitar os
seus efeitos.
12.2.3 Ambiente
A directiva Europeia IPPC (Integrated Pollution Prevention
and Control) tem como objectivo a prevenção integrada e o
controlo da poluição resultante da produção industrial,
abrangendo também as indústrias de síntese química.
As emissões de COV's (Compostos Orgânicos Voláteis)
localizadas e difusas, têm a obrigação legal de serem determinadas e manifestadas oficialmente. Essas emissões
devem ser minimizadas nas fontes, através de soluções BAT
(Best Available Techniques), abordadas no documento de
referência do IPPC.
Em relação a equipamento de bombeamento centrífugo, é
referido no documento do IPPC a particular atenção que
deve ser prestada à selagem, uma vez que tem que ser
garantida a vedação permanente entre os elementos rotativos e estáticos, de forma a evitar perdas para o exterior.
É referido com BAT a utilização de empanques mecânicos
simples ou duplos, e em caso de bombeamento de líquidos
com elevado grau de perigosidade ou toxicidade devem ser
utilizados empanques magnéticos.
205
Aplicação de Sistemas de Pressurização em Processos Industriais
12.2.4 Saúde ocupacional
De acordo com a Directiva 2003/10/CE de 6 de Fevereiro
de 2003, relativa à prescrição mínima de segurança e de
saúde em matéria de exposição dos trabalhadores aos
riscos devidos aos agentes físicos (ruído), a selecção do
equipamento adequado fica condicionada ao ruído máximo
admissível para ocupação em permanência, tendo em conta
o trabalho a efectuar.
Assim o equipamento deverá produzir o mínimo de ruído,
tendo em conta o progresso técnico e a disponibilidade de
medidas de controlo dos riscos na fonte.
O manuseamento dos intervenientes em síntese química
devem ser adequados ao seu grau de perigosidade para a
saúde humana. Deve-se analisar qual a concentração máxima
admissível para cada contaminante na atmosfera da zona
de trabalho e adequar o equipamento que garanta a
contenção abaixo dos limites de exposição admissíveis OEL - Occupational Exposure Limits.
12.3 Exemplos de aplicação industrial
As bombas centrífugas Grundfos são utilizadas em diferentes
operações do processo de fabricação de Princípios Activos,
que vão desde a simples trasfega de solventes ou misturas
reaccionais entre equipamentos, até sistemas sofisticados
de filtração por Osmose Inversa, ou ainda sistemas de
distriuição de fluidos térmicos que garantam uma optimização das condições operatórias.
Adiante faz-se uma descrição pormenorizada destas duas
últimas aplicações.
12.3.1 Filtração por Osmose Inversa
A filtração por Osmose Inversa é a filtração mais fina tecnicamente possível e consiste em reter partículas com dimensão
um milhão de vezes inferior a 1 mm, numa membrana
porosa geralmente feita em celulose.
A Osmose Inversa é utilizada industrialmente para purificar
água ou outros solventes, retirando as moléculas indesejáveis, ou concentrar soluções de produtos valiosos.
Fig. 2 - Osmose inversa de purificação de água
Outra aplicação de Osmose Inversa na Hovione, consiste
em concentrar 20m3/h de uma solução de Princípio Activo,
desde uma concentração de 60g/lit até uma concentração
de 150g/lit.
Retido
8 m3/h
Alimentação
149 g/ lit.
20 m3/h
Osmose Inversa
60 g/ lit.
Membrana
Permeado
12 m3/h
0.5 g/ lit.
Fig. 3 - Osmose Inversa - Diagrama de processo
As condições operatórias necessárias são:
Numero de módulos em paralelo = 2 (Para aumentar a
flexibilidade)
Caudal de cada módulo = 10 m3/h
Pressão de permuta = 40bar
Bombas seleccionas por módulo = 2 x CRN16-160 em série.
Nas figuras seguintes apresenta-se o diagrama da instalação e uma fotografia do sistema.
Retido
O princípio de funcionamento da Osmose Inversa consiste em
fazer passar através da membrana, o fluido que se pretende
isento de moléculas grandes, chamado permeado. Para que
se dê uma separação efectiva é necessário alimentar o fluido
em condições de pressão e caudal adequados e consistentes.
O fluido que não atravessa a membrana é chamado retido,
por ser aquele que retém as moléculas grandes.
A Hovione tem uma instalação de purificação de água com
um caudal de 10m3/h para produzir água com uma condutividade de 0.3µS.cm-1 a partir de água de qualidade potável
com 3000µS.cm-1.
206
Permeado
Alimentação
Fig. 4 - Osmose Inversa - Diagrama de tubagem e instrumentação
Aplicação de Sistemas de Pressurização em Processos Industriais
Fig. 5 - Osmose inversa de concentração
Fig. 6 - Equipamento de síntese química
12.3.2 Circuitos térmicos
M ⋅ Cp  K − 1 
 Tin − T 1 
ln 
=
⋅

 ⋅t
 Tin − T 2  q. ⋅ ρ ⋅ cp  K 
Para obter o Princípio Activo em quantidade e qualidade
aceitáveis é necessário que as condições operatórias sejam
optimizadas e reprodutíveis, sendo a temperatura do meio
reaccional um dos parâmetros críticos da síntese química.
Esta temperatura é controlada pela circulação de um fluido
térmico através do equipamento, com um determinado
caudal e a uma temperatura tal, que por contacto indirecto,
promova a transferência térmica.
A circulação faz-se através de dois sistemas interligados
que são:
(1)
Em que:
 U⋅A 
K = exp 

 q ⋅ ρ ⋅ cp 
(2)
As variáveis das Equações 1 e 2 são:
Tin é a temperatura de entrada do fluido de circulação (°C);
T1 é a temperatura inicial da mistura reaccional (°C);
• Circulação de fluido térmico através do equipamento
a uma temperatura variável e a um caudal constante;
T2 é a temperatura da mistura reaccional ao fim do tempo t;
• Produção e Distribuição do fluido térmico nas diferentes
temperaturas constantes e a um caudal variável;
M é a massa de mistura reaccional que se pretende aquecer
ou arrefecer (kg);
Cp é a capacidade calorifica média da mistura reaccional, no
intervalo de temperaturas considerado (kcal / kg.°C);
12.3.2.1 Circulação de fluido térmico
12.3.2.1.1 Caudal
A circulação do fluido térmico através do equipamento é
feita através de uma bomba centrífuga que é dimensionada
pelo caudal constante, cujo valor depende da capacidade
térmica do equipamento e pela altura manométrica
necessária para a sua circulação.
O caudal de circulação do fluido térmico pode ser obtido
iterativamente pela Equação 1, que determina a temperatura da mistura reaccional T2 ao fim do tempo t:
q é o caudal volumétrico do fluido térmico de circulação
(m3/h);
q ⋅ ρ ⋅é a massa específica do fluido térmico (kg/m3) à temperatura da operação.
cp é a capacidade calorífica média do fluido térmico, no
intervalo de temperatura considerado (kcal / kg.°C).
U é o coeficiente global de transferência de calor (kcal/
/h.m2.°C), que depende da condutividade térmica de todos
os materiais envolvidos na transferência térmica e da
turbulência do seu movimento. O valor de U pode ser estimado teoricamente ou determinado experimentalmente;
207
Aplicação de Sistemas de Pressurização em Processos Industriais
A é a área total (m2) através da qual se dá a transferência
térmica, e depende da geometria do equipamento e da
quantidade de mistura reaccional;
QUADRO I - PARÂMETROS
Aquecimento
M (kg)
No ponto 12.3.2.1.2 é dado um exemplo ilustrativo da aplicação das expressões 1 e 2, para determinação do caudal
da bomba de circulação, em condições de aquecimento e
arrefecimento.
Arrefecimento
4000
Cp (kcal / kg.°C)
1.01
0.99
U (kcal / h.m2.°C)
300
280
10
A (m2)
r
(kg / m3)
cp (kcal / kg.°C)
925
977
0.43
0.38
100
90
Temperatura (ºC)
80
Fig. 7 - Diagrama do Circuito Térmico
70
60
5m3/h
50
10m3/h
40
15m3/h
20m3/h
30
20
10
12.3.2.1.2 Exemplo de aplicação
Selecção de uma bomba para um circuito térmico de um
reactor de 4000lit. de capacidade, no qual se pretendem as
seguintes condições operatórias:
a) Aquecimento da mistura reaccional desde uma temperatura inicial T1=25°C até uma temperatura final de
T2=100°C, com um fluido térmico a uma temperatura de
entrada de Tin=120°C;
b) Arrefecimento da mistura reaccional desde uma temperatura inicial T1 = 25°C até uma temperatura final de
T2=0°C, com o mesmo fluido térmico a uma temperatura
de entrada de Tin=-15°C.
Considerar para perda de carga total do circuito o valor de
20m.c.a.
Utilizando as Equações 1 e 2, de uma forma iterativa, e os
parâmetros do sistema apresentados no Quadro I, obtém-se
o gráfico de variação da temperatura da mistura reaccional
no tempo, para diferentes caudais de circulação.
0
0.0 0.3 0.7 1.0 1.3 1.7 2.0 2.3 2.7 3.0 3.3 3.7 4.0
Tempo (h)
Fig. 8 - Gráfico da temperatura da mistura reaccional para
diferentes caudais de circulação
Analisando o gráfico da fig. 8, verifica-se que deixa de haver
uma diminuição significativa do tempo total de aquecimento e de arrefecimento quando se aumenta o caudal de
circulação de 15m3/h para 20m3/h.
Considerando o valor de caudal de 15m3/h e uma altura
manométrica de 20m.c.a, uma bomba adequada para a
circulação de fluido térmico através da camisa de um reactor
de 4000lit. de capacidade seria uma CR16-30.
12.3.2.2 Sistema de distribuição de fluido térmico
12.3.2.2.1 Temperaturas
O sistema geral de distribuição de fluido térmico é constituído pelos subsistemas independentes de produção,
armazenagem e distribuição do fluido térmico a diferentes
temperaturas.
208
Aplicação de Sistemas de Pressurização em Processos Industriais
Para realizar aquecimentos é necessário dispor de um fluido
térmico a uma temperatura elevada, cujo valor depende da
temperatura máxima exigível para o processo, nunca podendo
ser superior à temperatura admissível para o equipamento.
Geralmente a temperatura máxima utilizada nos processos de
produção de Princípios Activos situa-se entre 120°C e 150°C.
A produção do fluido nesta gama de temperaturas pode ser
realizada por circulação através de permutadores de calor
alimentados com vapor ou através de resistências eléctricas.
O factor de simultaneidade tem em conta que não é expectável que todos os equipamentos de uma instalação estejam
a trabalhar na sua capacidade térmica máxima em simultâneo. Este factor pode ser obtido por estimativa baseada
no grau de utilização dos equipamentos, ou utilizando
equações estatísticas, como é o exemplo da equação 3.
f =
1
n −1
(3)
em que n é o número total de equipamentos.
HTFR
HTF
A utilização de modelos matemáticos requer uma análise
cuidada do valor obtido, baseada na experiência de instalações similares e no bom senso.
12.3.2.2.3 Caudal
Fig. 9 - Diagrama do Circuito de Distribuição
Para efectuar o arrefecimento é necessário dispor de fluido
térmico a uma temperatura reduzida, cujo valor depende
da temperatura mínima exigida pelo processo e que não
poderá ser inferior à temperatura mínima admissível para o
equipamento.
Geralmente a temperatura mínima utilizada nos processos
de produção de Princípios Activos situa-se entre os -30°C e
os -15°C, em casos especiais poderá haver necessidade de
uma temperatura criogénica, na ordem dos -100°C.
A determinação do caudal necessário para um sistema de
distribuição de fluido térmico é feita de forma idêntica à
determinação da capacidade energética, descrita no ponto
anterior, tendo em consideração o somatório de todos os
caudais necessários de todos os equipamentos alimentados
pelo circuito, e aplicando o factor de simultaneidade.
Para obviar a variação das necessidades energéticas é conveniente que a distribuição de fluido térmico se faça a caudal
variável, o que se consegue através da variação de velocidade
das bombas de distribuição, em função da número de
consumidores em funcionamento.
A produção do fluido térmico a -30°C faz-se normalmente
por circulação através de uma máquina frigorifica, ou de
um permutador.
Geralmente para os sistemas térmicos de unidades de
produção de Princípios Activos justifica-se economicamente
a existência de um circuito térmico a uma temperatura
intermédia. Este fluido tem como principal função efectuar
o primeiro arrefecimento ou aquecimento, quando o
equipamento está a temperaturas extremas.
A escolha da temperatura mais adequada depende da utilização preferencial e do balanço económico e poderá ser
cerca de 25°C, que se obtém fazendo circular o fluido por
um permutador por onde circule água arrefecida em torres
de refrigeração, ou cerca de +5°C a +10°C para o qual é
necessário ter uma máquina frigorífica.
12.3.2.2.2 Capacidade energética
A capacidade energética de um sistema de distribuição
de fluidos térmicos depende do número e capacidade dos
equipamentos que vão ser alimentados e também do factor
de simultaneidade da instalação.
Fig. 10 - Sistema de distribuição
O ajuste do valor da velocidade é feito de forma a manter
constante a pressão do circuito de alimentação. Assim,
quando um consumidor entra em funcionamento a pressão
do circuito de alimentação tende a baixar, o controlador
fará aumentar a velocidade da bomba, para que a pressão
se mantenha no valor de set-point seleccionado. Quando
um consumidor deixa de estar em funcionamento o controlador reage de forma inversa.
Com este sistema garante-se a alimentação uniforme aos
equipamentos, em todas as condições de utilização da
instalação.
209
Aplicação de Sistemas de Pressurização em Processos Industriais
12.3.2.2.4 Exemplo de Aplicação
Seleccionar os sistemas de bombeamento dos circuitos de
distribuição de fluido térmico de Aquecimento e Arrefecimento, para uma instalação composta por oito reactores
com as capacidades indicadas no Quadro II.
O gráfico da figura 11 mostra a variação da potência absorvida
em função do caudal, para as três opções consideradas.
Verifica-se que não há variação significativa da potência
absorvida.
20
18
QUADRO II - CAPACIDADES
Capacidade
Térmica
(kcal/h)
Caudal de
circulação
(m3/h)
1a4
4.000
300.000
15
5a8
10.000
500.000
30
Equip.
56.000
S
180
3.200.000
Aplicando a Equação 3 para oito reactores, conclui-se que
poderão estar quatro em funcionamento simultâneo.
Para o sistema de arrefecimento há a considerar que todos
os reactores têm sistemas de condensação de Compostos
Orgânicos Voláteis (COVs), que estará em funcionamento
sempre que o reactor esteja a uma temperatura superior à
ambiente. Assim deverão considerar-se cinco equipamentos
em utilização simultânea.
No Quadro III, são indicadas as necessidades energéticas e
o caudal de distribuição necessário para o fluido térmico a
cada temperatura, tendo em consideração o número máximo
de equipamentos em funcionamento simultâneo na
capacidade máxima.
QUADRO III - CIRCUITO DE DISTRIBUIÇÃO
Fluido Térmico
Capacidade
Térmica
(kcal/h)
Caudal de
circulação
(m3/h)
2.000.000
120
Para selecção dos sistemas de bombeamento do fluido
térmico às diferentes temperaturas, é possível considerar
três opções diferentes, tal como mostra o Quadro IV:
QUADRO IV - SISTEMA DE BOMBEAMENTO
CAUDAL TOTAL = 120M3/H; H = 40M.C.A.
Opção
Quantidade
de Bombas
I
2
II
III
210
3
3
Caudal
(m3/h)
Tipo
60
CR64-2
60
CR64-2
40
CR45-2
40
CR45-2
40
CR45-2
30
CR32-3
30
CR32-3
60
CR64-2
Custo
Total
(Euros)
Potência
Instalada
(kW)
7.250
22
8.600
22.5
8.000
22
16
14
Potência (kW)
Capacidade
(lit.)
12
10
8
Opção I
6
Opção II
4
Opção III
2
0
0
15
30
45
60
75
90
105 120
Caudal (m 3/h)
Fig. 11 - Gráfico da potência absorvida para as opções de bombeamento
Pode concluir-se que a Opção I é a mais favorável, por ter
menor custo, menor número de equipamentos, ambos do
mesmo modelo, igual consumo energético, sendo ainda
garantido 50% do caudal máximo em caso de avaria de
uma bomba.
Aplicação de Sistemas de Pressurização em Processos Industriais
12.4 Referências bibliográficas
Grundfos. WinCAPS. Versão 7.44 / 2003.
Guides for New Facilities - Bulk Pharmaceutical Chemicals.
Volume1, First Edition ISPE, June 1996.
Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) Reference Document on Best Available Technics in LVOC
Industries - February 2003.y
Jornal Oficial das Comunidades Europeias - Directiva
94/9/CE do Parlamento Europeu e do Conselho de 23
de Março de 1994.
Jornal Oficial das Comunidades Europeias - Directiva
2003/10/CE do Parlamento Europeu e do Conselho de
06 de Fevereiro de 2003.
Kern, D.Q.. Process Heat Transfer. McGraw-Hill. New York,
1965.
Tosun, Ismail and Aksahin, Ilhan. Predict Heating
and Cooling Times Accurately. Chemical Engineering,
Novembro 1993.
211
212
213
214
215
216
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