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RESERVATÓRIO DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA: PRINCIPAIS
ASPECTOS HIDRÁULICOS RELACIONADOS
COM A SAÍDA DE ÁGUA
Milton Tomoyuki Tsutiya(1)
Coordenador de Pesquisa da Superintendência de Pesquisa e
Desenvolvimento Tecnológico da SABESP. Engenheiro Civil pela Escola
Politécnica da USP, 1975. Mestre em Engenharia pela Escola Politécnica
da USP, 1983. Doutor em Engenharia pela Escola Politécnica da USP,
1989. Professor do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da
Escola Politécnica da USP.
Endereço(1): Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo SABESP - Rua Costa Carvalho, 300 - Pinheiros - São Paulo - SP - CEP: 05488-090 - Brasil
- Tel: (011) 3030-4265 - Fax: (011) 813-8911 - e-mail: [email protected].
RESUMO
A saída de água dos reservatórios de distribuição deve ser bem projetado, pois é nela que
acontece os principais fenômenos hidráulicos relacionados com a formação de vórtices.
A geração de vórtices e os métodos para o controle de vórtices, são apresentados com base
em uma ampla pesquisa bibliográfica. As pesquisas de vórtices nas saídas de água dos
reservatórios foram realizadas em reservatórios sem poço de rebaixo e com poço de rebaixo,
onde são apresentadas as características, operação do modelo, e os resultados dos ensaios.
Também, são apresentados, os dispositivos mais adequados para a diminuição ou eliminação
dos vórtices que se formam na saída dos reservatórios.
PALAVRAS -CHAVE: Reservatório de Distribuição de Água, Vórtices em Reservatório,
Hidráulica de Reservatório.
INTRODUÇÃO
O reservatório de distribuição de água constitui em 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.
A saída de água embora seja apenas uma parte do reservatório, é um dos componentes de
maior importância, pois é nela que acontece os fenômenos hidráulicos referentes a formação de
vórtices.
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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 do reservatório;
? diminuição da eficiência e vazão da bomba;
? vibração e cavitação na bomba.
O procedimento tradicional para evitar a formação de vórtices, consiste em se considerar uma
submergência mínima na saída de água do reservatório. Entretanto, há uma grande divergência
entre os diversos autores com relação aos valores a serem adotados, pois apesar de várias
pesquisas a respeito de vórtices, ainda não é um asssunto completamente esclarecido, dada a
natureza complexa do fenômeno.
OBJETIVOS
São apresentados, inicialmente, o resultado de uma ampla pesquisa bibliográfica referente aos
aspectos hidráulicos relacionados com a saída de água dos reservatórios de distribuição, tais
como:
? geração de vórtices;
? métodos para o controle de vórtices.
Em seguida, são apresentados os objetivos principais do presente trabalho, que se refere a
pesquisa em laboratório de hidráulica, com a utilização de modelos físicos reduzidos, de
reservatórios circulares selecionados pela SABESP, com problemas de vórtices.
METODOLOGIA E RESULTADOS DAS PESQUISAS
Geração de Vórtices
O primeiro estudo que proporcionou um método gráfico para a verificação de vórtice numa
tomada de água, foi publicado por Denny e Young (1957). Segundo esses autores, a formação
de vórtice deve-se à presença de escoamento rotacional na massa líquida. Existem várias
causas que influem no aparecimento do movimento de rotação no escoamento, destacando-se
entre elas, a assimetria ou pré-rotação do fluxo (figura 1.a) e a mudança do escoamento,
imediatamente a montante da sucção (figura 1.b)
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Figura 1: Movimento de rotação do fluxo devido a assimetria (a) e mudança de direção
(b).
(b)
(a)
Durgin e Hecker (1978) definem três tipos fundamentais de fontes de vorticidade, conforme
apresentado na figura 2.
Figura 2: Fontes de vorticidade: desvio do fluxo (a), gradiente de velocidade (b) e
obstrução (c).
(a)
(b)
(c)
Em grandes áreas com pequena movimentação de água poderá haver instabilidade no fluxo para a sucção e
aumento na probabilidade de entrada de ar pela formação de vórtice ( figura 3 ).
Figura 3: Formação de vórtice em área morta.
ZONA MORTA
Vários outros exemplos de formação de vórtices são apresentados por Knauss (1983), Prosser
(1980), Anwar (1968) e Chang (1949).
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Métodos para o Controle de Vórtices
Para o controle de vórtice nos reservatórios, devem ser considerados dois tipos de saída de água:
? sem poço de rebaixo;
? com poço de rebaixo.
O controle de vórtice, geralmente é feito através de dois métodos:
? submergência adequada;
? instalação de dispositivo supressores de vórtices.
Submergência na Saída dos Reservatórios
A escolha da submergência mínima (figura 4) é de fundamental importância, pois influi nos
custos de construção dos reservatórios, devido a necessidade do aumento do volume de
reservação. Às vezes, o nível mínimo é definido por outras condições, tais como, o NPSH
requerido pela bomba.
Figura 4: Submergência Mínima.
N.A. min
N.A. min
S
d
S
D
d
D
Como a submergência mínima também depende das condições de aproximação do fluxo e
outras fontes de vorticidade existentes, o valor a ser adotado no projeto deverá ser bem
estudado.
Algumas recomendações de submergência mínimas são apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1: Recomendações para a Submergência Mínima.
AUTOR
Prosser
Hitachi
NB-590/90
Gordon
Paterson e Noble
SUBMERGÊNCIA MÍNIMA ( S )
S>1,5D
S>1,5d com S? 0,5 m
S>1,5d com S? 0,5 m
S? CgVd1/2 com Cg=0,543 a 0,324
S/D? a +bF
a=1 a 1,5
b=2 a 2,5
d=diâmetro da tubulação de sucção, m;
D=diâmetro da entrada em forma de sino, m/s;
V=velocidade na tubulação de sucção, m/s;
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F=número de Froude
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Supressores de Vórtices
Denny e Young (1957) apresentam exemplos de placa e parede para eliminação de vórtices
(figura 5). A obstrução da rotação livre do líquido com a colocação de placa ou parede, diminui
consideravelmente a velocidade do vórtice e, mesmo que seja formado, a peça evita a entrada
de ar no núcleo do vórtice e na tubulação de saída do reservatório.
Figura 5: Utilização de placas e paredes para prevenir o vórtice superficial.
FLUTUANTE
Outros autores, tais como, Knauss(1987), Padmanabhan (1982), Pennino e Larsen (1982) e
Hydraulic Institute Standards (1983) apresentam diversas alternativas de dispositivo para a
supressão de vórtices.
Pesquisas em Modelos Físicos das Saídas dos Reservatórios
As pesquisas de vórtices nas saídas de água dos reservatórios, foram realizadas na Fundação
Centro Tecnológico de Hidráulica, para os tipos de reservatórios circulares com maiores
problemas de vórtices, selecionados pelas áreas operacionais da SABESP.
Os reservatórios foram divididos em dois tipos, quanto a saída de água:
? reservatório sem poço de rebaixo;
? reservatório com poço de rebaixo.
Reservatório sem Poço de Rebaixo Características do Modelo
O modelo reduzido foi construído em um tanque circular metálico com 3,8 metros de diâmetro,
e cujo sistema hidráulico de alimentação consiste em uma tubulação ligada a um reservatório de
nível constante, provida de medidor de vazão, tipo placa de orifício, que fornece o valor da
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vazão com uma incerteza de ?1% do valor da vazão, na faixa prevista de operação do modelo,
admitida entre 1 a 4 litros por segundo.
A saída da água do modelo, será feita por um sistema adaptável à reprodução das diversas
alternativas a serem estudadas, e estará provido de um registro de controle da perda de carga
na saída, permitindo o controle de nível de submergência da saída.
Operação do Modelo
Todos os ensaios foram realizados com o modelo operando em regime permanente, ou seja, a
vazão de entrada igual a vazão de saída e a lâmina de água constante. Foram selecionados
vários níveis da linha de água, para cada alternativa, visando a caracterização completa das
situações estudadas, utilizando-se a vazão denominada vazão máxima possível, calculada em
relação ao volume do reservatório. A vazão máxima possível corresponde a 1,5 vezes a vazão
média diária.
Após a estabilização do nível de água no modelo caracterizando o regime permanente,
procedeu-se a uma análise de vorticidade presente junto a saída. Nos casos em que esta
vorticidade era perceptível, foi realizada uma caracterização da intensidade desta vorticidade
através da classificação contínua segundo a escala Durgin e Hecker (1978), conforme
apresentado na figura 6, permitindo a construção de tabelas de permanência dos vários tipos de
vórtices detectados.
Figura 6: Classificação dos vórtices quanto a intensidade.
TIPO 4 - Arraste de Pequenas
Particulas Flutuantes
TIPO 1 - Rotação Superficial
TIPO 2 - Depressão Superficial
TIPO 5 - Arraste de Bolhas de Ar
TIPO 3 - Nucleo Visivel com
Auxilio de Corante
TIPO 6 - Nucleo de Ar Completamente
Desenvolvido
Resultados dos Ensaios
A saída de água dos reservatórios sem poço de rebaixo, constitue em uma situação em que é
certa a formação de vórtices, sendo de intensidades altas para os níveis mais baixos,
necessitando, portanto, de dispositivo anti-vórtice.
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O dispositivo recomendado nesta pesquisa é constituído de quatro chapas verticais, formando
uma cruz em planta (figura 7), que mostrou ter uma boa eficiência na redução dos vórtices, até
níveis relativamente baixos.
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Figura 7: Dispositivo para eliminação de vórtices para reservatório sem poço de
rebaixo.
PLANTA
VISTA LATERAL
Reservatório com Poço de Rebaixo
Características do Modelo
O diâmetro do reservatório, as dimensões do poço de rebaixo, o diâmetro do tubo de saída e a
vazão de saída do protótipo têm valores variáveis, em função da capacidade do reservatório.
Foram ensaiadas quatro alternativas com o objetivo de avaliar o efeito do poço de rebaixo
quanto a vorticidade e, em função de seu desempenho, introduzir modificações visando a
otimização de sua geometria.
Os ensaios foram realizados para a vazão máxima possível. A vazão de ensaio foi imposta para
diversas profundidades da água no reservatório, o que foi conseguido através da manobra de
um registro instalado na tubulação de saída. Dessa forma, a vorticidade foi verificada para
diferentes submergências da tomada de água, simulando-se as condições com e sem
alimentação do reservatório, sendo utilizada na avaliação das intensidades dos vórtices, a
classificação de Durgin e Hecker, já citado anteriormente.
Operação do Modelo
Os ensaios efetuados no modelo simularam duas condições distintas de operação do
reservatório no protótipo, ou seja, com e sem alimentação do reservatório.
Para a condição com alimentação, a mesma foi imposta através de entrada superior, com jato
sendo lançado livremente no interior do reservatório. Neste caso, o regime permanente foi
garantido através da imposição de determinada abertura no registro instalado na tubulação de
saída.
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Para simular no modelo a condição sem alimentação, a entrada de água do reservatório foi
efetuada de modo a não provocar perturbações no interior do mesmo, o que foi conseguido
através da instalação de tubulação, com saída junto ao fundo do reservatório, provida de um
filtro tranquilizador.
Resultados dos Ensaios
Durante a campanha de ensaios, para a condição de reservatório com poço de rebaixo, foi
observada a ocorrência de vórtice de eixo horizontal no interior do poço. Este vórtice, cuja
origem está nas correntes de recirculação que se estabelece no reservatório, devido à incidência
do jato da alimentação sobre a superfície livre da água, ocorre apenas para pequenas
profundidades de água. A figura 8 mostra uma situação em que o jato incidente induz à
formação das correntes de recirculação
SAÍDA
Figura 8: Correntes de recirculação no reservatório.
POÇO
ALIMENTAÇÃO
As correntes de recirculação sobre o poço de rebaixo, compõem-se com as correntes do fluxo
convergente direcionado para o tubo de saída, resultando num escoamento helicoidal, cujo eixo
se prolonga desde a parede vertical oposta à tomada de água até o interior do tubo de saída
(figura 9). A intensidade do fenômeno é elevada, a tal ponto que o ar dissolvido na água se
aglutina ao longo do eixo do vórtice , formando um filete visível no modelo.
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Figura 9: Formação do vórtice de eixo horizontal.
FUNDO DO
RESERVATÓRIO
POÇO
TUBO DE SAÍDA
A formação de vórtice de eixo horizontal é eliminada ao se impor a trajetória vertical do jato
proveniente da tubulação de alimentação do reservatório.
CONCLUSÕES
Os vórtices gerados na saída de água do reservatório de distribuição, poderá ocasionar a
redução da capacidade de armazenamento do reservatório; diminuir a vazão na adutora; causar
vibração, cavitação e diminuir a eficiência e vazão da bomba.
Atualmente as pesquisas para determinar a submergência mínima são baseadas em correlações
que envolvem o número de Froude. Essas pesquisas, geralmente, tem conduzido a valores de
submergência mínima acima de outras recomendações.
A saída de água do reservatório sem poço de rebaixo, induz a formação de vórtices intensos,
para níveis de submergências pequenos, necessitando sempre de dispositivo anti-vórtices que
deve ser instalado na saída de água, junto ao fundo do reservatório. A pesquisa realizada em
modelo físico conclui-se que o dispositivo constituído de quatro chapas verticais, formando uma
cruz em planta, reduz consideravelmente os vórtices gerados.
O estudo efetuado no modelo físico reduzido mostrou que a vorticidade de vórtice de eixo
horizontal em reservatório circular com poço de rebaixo é intensa., produzindo os seguintes
efeitos: perda de carga na tubulação de saída, tendo em vista o escoamento helicoidal que se
prolonga no interior do tubo; redução do coeficiente de vazão da embocadura do tubo de
saída, pois a aproximação do fluxo à mesma não se apresenta uniformemente convergente; a
ação centrífuga das correntes helicoidais acarreta redução da pressão no eixo do vórtice, o
mesmo ocorrendo no interior do tubo de saída.
As pesquisas mostraram que em reservatório com poço de rebaixo, o vórtice de eixo horizontal
não se forma, quando o jato proveniente do tubo de alimentação, incide sobre a superfície livre
da água no reservatório segundo um ângulo de 90 o(jato vertical). A deflexão do jato pode ser
imposta através de instalação de um cotovelo de 90 o ou de uma placa defletora na saída do
tubo de alimentação.
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