03/12/2013 Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 2 __________________________________________________________________ Aula 10 - Reservatórios de distribuição de água Considerações iniciais Reservatórios de regularização x Reservatórios de distribuição: Reservatórios de regularização são formados normalmente por represas (barragens) em cursos d’água naturais (água bruta); Volume útil elevado (centenas ou milhares de hectômetros cúbicos); Promovem a regularização mensal das vazões (de montante para jusante): Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 3 __________________________________________________________________ Reservatórios de distribuição são apoiados ou elevados (água tratada); Volume da ordem de dezenas, centenas, no caso dos apoiados alguns milhares de m³; Promovem a regularização horária das vazões (entre uma adutora e uma rede de distribuição). Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 __________________________________________________________________ 4 03/12/2013 Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 5 __________________________________________________________________ Objetivos principais: A NBR 12217 - Projeto de reservatório de distribuição de água para abastecimento público define reservatório de distribuição como o elemento do sistema de abastecimento de água destinado a regularizar as variações entre as vazões de adução e de distribuição e condicionar as pressões na rede de distribuição. Segundo TSUTIYA, as principais finalidades dos reservatórios de distribuição são: Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 6 __________________________________________________________________ Regularizar a vazão: receber uma vazão constante, igual à demanda média do dia de maior consumo de sua área de influência, acumular água durante as horas em que a demanda é inferior à média e fornecer as vazões complementares quando a vazão de demanda for superior à média. Condicionar as pressões na rede de distribuição: a localização dos reservatórios de distribuição pode influir nas condições de pressão na rede, principalmente, reduzindo as variações de pressões. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 7 __________________________________________________________________ Segurança ao abastecimento: fornecer água por ocasião de interrupções no funcionamento normal da adução, como conseqüência da ruptura da adutora, paralisação da captação ou estação de tratamento, falta de energia elétrica, etc. Reserva para incêndio: suprir vazões extras para o combate a incêndio. Os reservatórios devem ser localizados de forma a manter o funcionamento da rede de distribuição entre pressões estáticas máximas e pressões dinâmicas mínimas. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 8 __________________________________________________________________ Pressões estáticas referem-se ao nível máximo do reservatório quando a rede não esta em funcionamento. Pressões dinâmicas são as pressões nos pontos da rede de distribuição computadas a partir do nível mínimo do reservatório, descontadas as perdas de carga que ocorrem durante o movimento da água nas tubulações. Por vezes, em função da escala do sistema de distribuição ou das condições topográficas, faz-se necessário mais de um reservatório, sendo cada um responsável pela garantia de adequada pressurização em respectivas zonas de pressão. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 9 __________________________________________________________________ A NBR 12218 - Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público recomenda que os reservatórios de distribuição devam ser localizados de modo a abastecer as redes de distribuição com os seguintes limites de pressão: Pressão estática máxima: 500 kPa (50 mH2O - mca); Pressão dinâmica mínima: 100 kPa (10 mH2O - mca). A ABNT tem uma norma especifica para projeto de reservatórios: NBR 12217 – Projeto de reservatório de distribuição de água para abastecimento público. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 10 __________________________________________________________________ As unidades que antecedem o reservatório são dimensionadas para a vazão média do dia de maior consumo (QD>C); Que é o produto da cota per capita pela população de projeto, maximizada pelo coeficiente do dia de maior consumo (k1). No dimensionamento das redes de distribuição essa vazão acresce-se do coeficiente da hora de maior consumo (k2); Os reservatórios permitem que as unidades precedentes apresentem dimensões mais econômicas compatíveis a vazões de menor magnitude. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 11 __________________________________________________________________ Permitem ainda menores variações na vazão de recalque e redução do consumo de energia elétrica. Os gastos com energia elétrica despendem de 12 a 20% da arrecadação dos sistemas de abastecimento de água no País. É o segundo insumo mais importante, superado apenas pelos gastos com pessoal. Estima-se que 95% deste consumo de energia elétrica advenha das estações de recalque. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 12 __________________________________________________________________ Outra Vantagem é o aumento no rendimento dos conjuntos elevatórios: com valores de altura manométrica e vazão aproximadamente constante, os conjuntos motor-bomba poderão operar próximos ao seu rendimento máximo. Desvantagens: Custo elevado de implantação; Localização: para atender as variações de pressão na rede, o reservatório deve ser localizado em cota adequada; Impacto ambiental; Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 13 __________________________________________________________________ Classificação de reservatórios de distribuição São vários os critérios que permitem classificar os reservatórios: Quanto à localização no sistema; Quanto à localização no terreno; Quanto à sua forma; Quanto aos materiais de construção. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 14 __________________________________________________________________ a) Localização do reservatório no sistema: Reservatório de montante: o reservatório localizase a montante da rede de distribuição (antes da rede). Caracterizam-se por ser o próprio reservatório que sempre fornece água à rede de distribuição. Pode haver múltiplos reservatórios dependendo da área a ser atendida ou do escalonamento para atender limites de pressão. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 15 __________________________________________________________________ Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 16 __________________________________________________________________ Reservatório de jusante (ou de sobras): o reservatório localiza-se a jusante da rede de distribuição de água. Esse reservatório recebe água durante as horas de menor consumo e auxilia o abastecimento durantes as horas de maior consumo. Este reservatório possibilita uma menor oscilação de pressão nas zonas de jusante da rede. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 17 __________________________________________________________________ 03/12/2013 Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 18 __________________________________________________________________ Reservatório de posição intermediaria: Consiste em reservatório intercalado no sistema de adução e tem a função de servir de volante de regularização das transições entre bombeamento e, ou, adução por gravidade. Normalmente capacidade. são reservatórios de pequena Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 19 __________________________________________________________________ Reservatório de montante e jusante Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 20 __________________________________________________________________ b) Localização do reservatório no terreno Reservatório enterrado: se situa inteiramente em cota inferior à do terreno em que esta localizado. Reservatório semi-enterrado: é aquele que apresenta pelo menos um terço de sua altura total situado abaixo do nível do terreno onde se encontra localizado. Reservatório apoiado: o fundo se encontra a uma profundidade correspondente a menos que um terço de sua altura total abaixo do nível do terreno em que se localiza. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 21 __________________________________________________________________ Reservatório elevado: é o reservatório cuja cota de fundo é superior à cota do terreno onde se localiza. stand pipe: reservatório elevado com a estrutura de elevação embutida de modo a manter contínua o perímetro da secção transversal da edificação. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 22 __________________________________________________________________ O reservatório enterrado tem a vantagem de ser isolado termicamente e provocar menos impacto ambiental do que os outros tipos de reservatórios. Entretanto o custo de execução é maior, e a entrada e saída do reservatório e sua descarga são mais Os reservatórios semi-enterrado e apoiado são mais fáceis de se construir, no entanto, necessitam de um isolamento adequado. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 23 __________________________________________________________________ Os reservatórios elevados são necessários nos casos em que a topografia do terreno não é adequada para abastecer a área por outros tipos de reservatórios. Os principais inconvenientes do reservatório elevado são o custo elevado e o impacto ambiental. Em casos de relevo mais acidentado, é comum a instalação de uma estação elevatória instalada na própria rede de distribuição, denominada booster, para assegurar o abastecimento nas áreas mais altas. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 24 __________________________________________________________________ Via de regra, os reservatórios elevados são alimentados por estações elevatórias, assim, a tubulação de chegada deve ser instalada para que a água entre pelo ponto mais alto (reduzir a variação de altura manométrica). c) Formas dos reservatórios Para os reservatórios enterrados, semi-enterrados e apoiados, predominam as formas circulares e retangulares (não existe restrição quanto à forma dos reservatórios). Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 25 __________________________________________________________________ O reservatório circular é normalmente utilizado como reservatório apoiado. O reservatório retangular é utilizado para reservatório enterrado, semi-enterrado e apoiado. É comum construir esses reservatórios divididos em duas câmaras por uma parede interna. Sobre aspecto estrutural, a forma cilíndrica é a mais ecnômica. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 26 __________________________________________________________________ Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 27 __________________________________________________________________ Reservatórios Apoiados Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 28 __________________________________________________________________ Reservatórios Semi-Enterrados 03/12/2013 Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 29 __________________________________________________________________ Reservatórios Elevados 03/12/2013 Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 30 __________________________________________________________________ Reservatórios Elevados Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 31 __________________________________________________________________ d) materiais de construção Os reservatórios de maior porte são usualmente construídos de concreto armado e, menos freqüentemente, aço, alvenaria estrutural e concreto protendido. Os reservatórios elevados de menor porte são também construídos em argamassa armada, fibra de vidro e aço. Em reservatórios de concreto armado, dispõe-se camada de brita ou argila expandida sobre a laje de cobertura para reduzir os efeitos de dilatação nos períodos mais quentes do ano. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 32 __________________________________________________________________ Capacidade dos reservatórios Leva em consideração: Volume para atender às variações de consumo de água; Volume para combate a incêndios e Volume para emergências. a) Volume para atender às variações de consumo de água (ou volume útil): esse volume é compreendido entre o nível máximo (maior nível que pode ser atingido em condições normais de operação) e o nível mínimo (corresponde à lamina para evitar vórtices, cavitação e arraste de sedimentos do fundo do reservatório). Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 33 __________________________________________________________________ O calculo do volume útil é feito considerando-se a adução para o dia de maior consumo (dia mais desfavorável). O cálculo do volume útil pode ser feito quando se dispõe da curva de consumo e também quando não se dispõe da curva de consumo (neste caso, é feita uma hipótese de variação da curva de consumo. Uma delas é admitir a forma senoidal). O calculo do volume útil baseado na curva de consumo pode ser realizado considerando-se a adução continua ou intermitente ao reservatório. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 34 __________________________________________________________________ Adução continua (vazão constante durante as 24 horas do dia). Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 35 __________________________________________________________________ No tempo t1, a vazão de consumo começa a ultrapassar a vazão de adução, de modo que o reservatório começa a esvaziar, terminando no tempo t2. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 36 __________________________________________________________________ Entre os intervalos t2 e 24 horas e 24 horas e t1, a adução supera o consumo e o reservatório vai acumulando água em excesso, para cedê-la ao setor no intervalo de tempo t1 e t2. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 37 __________________________________________________________________ As áreas hachuriadas em tracejado são iguais às áreas não hachuriadas, representando cada uma delas a capacidade mínima do reservatório para atender o consumo normal no dia de consumo máximo. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 38 __________________________________________________________________ O volume de reservação poderá ser determinado através da seguinte equação: Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 39 __________________________________________________________________ Adução intermitente (adução para um intervalo de tempo de funcionamento de t horas). Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 40 __________________________________________________________________ Ao iniciar o funcionamento da adução, no instante t1 o reservatório irá acumulando os volumes de água até o fim do período de funcionamento no instante t2, em que o nível de água do reservatório atinge o seu valor máximo. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 41 __________________________________________________________________ A área hachuriada em traços contínuos representa o volume que deve estar disponível no reservatório para que possa ser atendido o consumo de água durante os intervalos de tempo t2 a 24 horas e 24 horas a t1. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 42 __________________________________________________________________ As áreas hachuriadas com traços interrompidos representa os volumes consumidos durante os intervalos de tempo em que não esta funcionando o sistema adutor. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 43 __________________________________________________________________ No dia de maior consumo, as duas áreas, correspondentes ao saldo de adução e ao consumo quando a adutora não esta funcionando, são iguais. Cada uma delas representa a capacidade mínima do reservatório para atender os consumos normais do setor de abastecimento. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 44 __________________________________________________________________ b) Volume adicional para combate a incêndios É necessário quando a capacidade do sistema de abastecimento de água não é suficiente, o que geralmente acontece em sistemas de pequenos e médios portes. Sendo os incêndios um evento de frequência relativamente baixa no Brasil, principalmente em cidades de médios e pequenos portes normalmente não se destina um volume de reservação para o combate a incêndios. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 45 __________________________________________________________________ c) Volume para emergências As paralisações no sistema de produção de água (captação, elevatórias, ETA), por acidentes de curta duração são relativamente freqüentes, e são consideradas situações de emergência. Não há nenhuma fórmula para se determinar o volume de emergência. 03/12/2013 Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 46 __________________________________________________________________ A decisão de se considerar um determinado volume para emergência, deverá ser do responsável pelo sistema de abastecimento, pois esse volume depende da vulnerabilidade do sistema. d) Volume de reservação utilizados na elaboração de projetos Para a elaboração de projetos de reservatórios, normalmente se utilizam as recomendações da NBR 12217. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 47 __________________________________________________________________ Segundo a NBR 21217, não existindo dados suficientes para traçar a curva de variação de consumo, o volume mínimo armazenado será igual ou maior que 1/3 do volume distribuído no dia de maior consumo. Tubulações e órgãos acessórios a) Tubulação de entrada: A entrada de água pode ser feita em qualquer posição da altura do reservatório. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 48 __________________________________________________________________ Entretanto, duas posições de entrada prevalecem, a entrada acima do nível de água (entrada livre) e a entrada afogada. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 49 __________________________________________________________________ No Brasil, é usual a entrada livre devido a tradição e a menor complexidade no projeto para a escolha do conjunto motobomba. A velocidade da água na tubulação de entrada não deve exceder o dobro da velocidade na adutora que alimenta o reservatório. A entrada de água deve ser dotada de sistema de fechamento por válvula, comporta ou adufa, manobrada por dispositivo situado na parte externa do reservatório. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 50 __________________________________________________________________ Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 51 __________________________________________________________________ Deve ser verificado o impacto decorrente da queda da água no fundo do reservatório vazio. No caso de entrada afogada em reservatório de montante, a tubulação de entrada deve ser dotada de dispositivos para impedir o retorno de água. b) Tubulação de saída: A velocidade da água na tubulação de saída não deve exceder uma vez e meia a velocidade na tubulação da rede principal imediatamente a jusante. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 52 __________________________________________________________________ A saída de água deve ser dotada de sistema de fechamento por válvula, comporta ou adufa, manobrada por dispositivo situado na parte externa do reservatório. A jusante do sistema de fechamento deve ser previsto dispositivo destinado a permitir a entrada de ar na tubulação. A saída de água de reservatório é um dos componentes de maior importância, pois é nela que acontece os fenômenos hidráulicos referentes a formação de vórtices. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 53 __________________________________________________________________ A entrada de ar através de vórtices poderá acarretar no sistema de abastecimento de água os seguintes problemas: Diminuição da vazão nas adutoras; Redução da capacidade de armazenamento reservatório; Diminuição da eficiência e vazão da bomba; Vibração e cavitação da bomba. do Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 54 __________________________________________________________________ O procedimento para evitar a formação de vórtices consiste em se considerar uma submergência mínima na saída de água do reservatório. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 55 __________________________________________________________________ Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 56 __________________________________________________________________ Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 57 __________________________________________________________________ c) Extravasor: os reservatórios devem ser providos de extravasor com capacidade para a vazão máxima afluente em condições normais de operação. A água de extravasão deve ser encaminhada por conduto livre a um corpo receptor adequado. d) Ventilação: Devido à oscilação da lâmina d’água é necessário abertura de ventilação para saída de ar quando a lâmina sobe e a entrada de ar quando a lâmina desce. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 58 __________________________________________________________________ Isso é feito para evitar os esforços devido ao aumento e diminuição da pressão interna. A vazão de ar para dimensionamento deve ser igual à máxima vazão de saída de água do reservatório. e) Acesso ao interior do reservatório: Os reservatórios devem ter na sua laje de cobertura aberturas que permitem o fácil acesso ao seu interior, bem como escadas fixadas nas paredes. A abertura mínima deverá medir 0,60m x 0,60 livres Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 59 __________________________________________________________________ Operação de reservatórios Volume nominal: volume compreendido entre o fundo do reservatório e o nível do extravasor (limite de extravasamento). Limite baixo: nível mínimo do reservatório para que não haja formação de vórtices, entrada de ar na tubulação de saída, ou mau funcionamento da estação elevatória. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 60 __________________________________________________________________ Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 61 __________________________________________________________________ Limite alto: nível máximo do reservatório para que haja tempo hábil de manobra, evitando que a água atinja o extravasor ou que a bóia de segurança seja acionada. Limite de bóia: nível d'água a partir do qual é acionado o mecanismo de uma bóia que atua localmente no fechamento do reservatório, sendo que a bóia é considerada um recurso de segurança extrema; Limite de extravasamento: lâmina d'água a partir da qual começa a haver perda d'água pelo sistema de extravasamento. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 62 __________________________________________________________________ Folga: altura correspondente à diferença entre o limite de bóia e o limite alto, e corresponde ao acréscimo de volume entre a emissão do alarme de limite alto e o total fechamento da válvula de controle; Volume útil: volume compreendido entre o limite baixo e o limite alto. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 63 __________________________________________________________________ Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 64 __________________________________________________________________ Regras operacionais podem ser definidas para otimizar o sistema buscando atender diversos objetivos: Redução dos gastos com energia elétrica. Minimização das falhas no atendimento a demanda. Redução de perdas físicas em função das pressões na rede. Flexibilidade na operação de sistemas com múltiplos reservatórios interligados. Sistemas de Água I - Aula 8- Adutoras – Parte 03/12/2013 65 __________________________________________________________________ Na próxima aula: Estações elevatórias