DIAGNÓSTICO DA EFICIÊNCIA HIDRÁULICA DE UNIDADE DE DESINFECÇÃO DE ÁGUA E AVALIAÇÃO DE MEDIDA PARA A REDUÇÃO DE CURTOS-CIRCUITOS

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1 DIAGNÓSTICO DA EFICIÊNCIA HIDRÁULICA DE UNIDADE DE DESINFECÇÃO DE ÁGUA E AVALIAÇÃO DE MEDIDA PARA A REDUÇÃO DE CURTOS-CIRCUITOS Edmilson Costa Teixeira 1, Iene Christie Figueiredo Breda 1, Marcos B. de Resende 2 e Eurico S. de C. Neto 2 Resumo - O presente trabalho apresenta os resultados de um diagnóstico sobre a eficiência hidráulica de uma unidade de contato de fluxo contínuo, utilizada na desinfecção de água de abastecimento. Altas intensidades de curtos-circuitos indicaram o baixo desempenho hidráulico da unidade. Defletores de escoamento foram adotados como medida de redução de curtos-circuitos, sendo avaliado seu desempenho quanto a variações de suas alturas e profundidade do escoamento. A metodologia de avaliação das características hidrodinâmicas da unidade, para as várias configurações estudadas foram feitas através do uso de técnica de traçagem. Na definição da vazão no modelo reduzido, correspondendo à vazão no protótipo, os resultados provenientes do emprego dos métodos de semelhança dinâmica de Froude e da distribuição de tempos de residência foram, em termos práticos, idênticos. Abstract - This work presents the results of a diagnostic of the hydraulic efficiency of a continuous flow contact unit, used in the disinfection of drinking water. High intensities of short circuits indicated the poor hydraulic performance of the unit. Flow deflectors were adopted as a means of reducing the short-circuits, their performance being evaluated by the variations in their height and the flow depth. The method of evaluation of the hydrodynamic characteristics of the unit for the various configurations studied, was the use of tracing technique. In obtaining the flow rate in the reduced model, corresponding to the flow rate in the prototype, the use of Froude s and the residence time distribution s flow similiarity laws gave, in practical terms, the same results. Palavras-chave - Eficiência hidráulica, tanque de contato, desinfecção tratamento de água. 1 Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental - UFES; DHS-CT-UFES; Cx. Postal ; Vitória-ES; Telefax (027) / Fundação Nacional de Saúde/Vitória - ES; Telefone (027) XII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 INTRODUÇÃO Face a fortes exigências ambientais e de saúde pública, vários processos de tratamento de água para abastecimento público, bem como de águas residuárias, antecedendo suas disposições em corpos d água receptores, têm requerido a realização de estudos que propiciem a otimização dos mesmos. Entende-se por otimização: a minimização de custos de construção e operação de tais sistemas de tratamento, maximização do processo de tratamento e minimização da formação de sub-produtos indesejávéis ao ser humano e ao meio ambiente. Nesse contexto, a mecânica dos fluidos vem assumindo um papel de grande importância, visto que a eficiência de qualquer processo de tratamento de água é altamente dependente da dinâmica do escoamento nas unidades de tratamento. Na prática sabe-se, de antemão, as características ideais do escoamento para a obtenção de níveis elevados de eficiência para um dado processo de tratamento; para tal processo, quanto menores os desvios verificados entre as características dos escoamentos real e ideal, dizse a unidade possuir elevada eficiência hidráulica (EH). Apresenta-se neste trabalho os resultados de um estudo de diagnóstico da EH e redução das intensidades de curto-circuitos de uma unidade de contato de fluxo contínuo, utilizada na desinfecção de água de abastecimento público. O estudo foi desenvolvido com base na análise de curvas de distribuição de tempos de residência (DTR), ou curvas de passagem, para a unidade de contato, obtidas através de modelagem física, em escalas real e reduzida. APARATO EXPERIMENTAL O sistema de experimentação (Figura 1) constitui de um tanque em L (unidade de experimentação), um medidor de vazão (rotâmetro), um reservatório de abastecimento de água com capacidade de 17 m 3, uma bomba de alimentação e uma bomba de recalque, interligados por tubos de PVC. A água entra e sai da unidade de experimentação rente ao seu fundo, por bombeamento, através de uma tubulação de 100mm de diâmetro. Mantendo-se iguais as vazões de entrada e saída (dirigida para o dreno) da unidade, obtinha-se profundidades de escoamento constantes durante a realização dos experimentos. A unidade de experimentação é um modelo reduzido de um dos tanques de contato utilizados na desinfecção de água com o cloro da ETA da Sede do Município de Linhares/ES - SAAE (Serviço Autônomo de Água e Esgoto), tendo-se um fator de escala linear entre modelo e protótipo de 1:8. 2 XII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos

3 Figura 1 - Representação esquemática do sistema de experimentação DESENVOLVIMENTO DO ESTUDO - ETAPAS BÁSICAS O desenvolvimento do estudo se deu em quatro etapas básicas: 1) definição da vazão de referência (Qr) para o modelo reduzido, correspondendo à vazão no protótipo ou de campo (Qc); 2) diagnóstico da EH da unidade de contato em sua configuração e condições de escoamento originais; 3) avaliação de medidas de redução de intensidades de curto-circuitos; e 4) verificação da sensibilidade da EH da unidade a variações da profundidade de escoamento. Definição da vazão de referência (Qr) para o modelo reduzido Apesar do uso da lei de semelhança dinâmica de Froude ser a comumente empregada no dimensionamento de parâmetros de dinâmica do escoamento em modelos reduzidos sob superfície livre, em que as forças da gravidade são preponderantes em relação a forças viscosas, Hart e Gupta (1978) recomendam que o dimensionamento da vazão (Qr) para o desenvolvimento de estudos de avaliação de EH em unidades de tratamento de água seja feito pela busca de semelhança entre as curvas DTR ([C/Re/Co)] x [t/t]) para as unidades modelo e protótipo, sendo: C = concentração no tempo t, contado a partir da injeção instantânea do traçador nas proximidades da seção de entrada da unidade; Co = massa de traçador injetada dividida pelo volume efetivo da unidade; Re = fator de recuperação de massa, sendo a injeção do traçador instantânea. Buscou-se, no presente estudo, comparar a relação entre as vazões obtidas pela lei de Froude (Q f ) e resultante da semelhança entre as curvas DTR. Inicialmente foram obtidos os dados referentes ao protótipo, entre eles curva de passagem e vazão. A partir da vazão de campo (Q c = 210 l/s) determinou-se a vazão de laboratório de acordo com a lei de semelhança dinâmica de Froude (Q f = 1,16 l/s) e foram testadas algumas outras vazões (0,58 l/s, 1,39 l/s e 1,74 l/s, que correspondem a 0,5.Q f, 1,2.Q f e 1,5.Q f, respectivamente) para que se tentasse uma maior aproximação entre curvas de passagem de campo e laboratório. XII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 C/Co/Re Devido a diferença entre as vazões de entrada e saída na unidade protótipo, ocorreram variações do seu volume com o tempo. Portanto, para minimizar os efeitos dessas variações sobre as curvas de passagem obtidas, o tempo de determinação dessas em laboratório, nessas fase, foi igual ao tempo teórico de detenção (T = V/Q; onde V é o volume efetivo da unidade). Entre as vazões estudadas, a que mais se aproximou das condições do protótipo foi 4.5 Q f, que, no presente caso, concorda com ambos os métodos considerados de semelhança dinâmica: 4 Froude e DTR. As curvas DTR de campo e obtidas para cada uma das vazões no modelo reduzido são mostrados na Figura Campo Q=1.16 l/s-froude Q=1.74 l/s-1,5 Froude Q=0.58 l/s-0,5 Froude Q=1,392 l/s-1,2 Froude t/t Figura 2 - Comparação dos dados de laboratório e campo para as diversas vazões estudadas. A Figura 3 mostra as curvas DTR de campo (Q c = 210 l/s) e do modelo (Q f = 1,16 l/s) para um período de experimentação t/t igual a 4,5. Pode-se notar que, a nível prático, a aproximação das duas curvas é muito boa, validando, assim, o procedimento experimental e indicando, possivelmente, que o fator de escala 1:8 é de tamanho satisfatória para estudos dessa natureza (Teixeira, 1993). 4 XII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos

5 C/Co/Re Campo Q=1,16 l/s-s/defletor t/t Figura 3 - Curvas de passagem para as condições de campo e laboratório. Diagnóstico da EH da unidade de contato em sua configuração e condições de escoamento originais A EH pode ser avaliada de forma semi - quantitativa, através de indicadores da intensidade de curtos-circuitos e do grau de mistura do escoamento na unidade (Teixeira, 1995). Com base em análises da representatividade física e estatística desses parâmetros indicadores de EH, Almeida (1997) recomenda-se o uso de t 10 e 2 como parâmetros indicadores de intensidades de curto-circuito e do grau de mistura, respectivamente; t 10 corresponde ao tempo (t/t) de passagem, pela saída da unidade, de 10% da massa de traçador, e 2 refere-se à variância da curva DTR. Para o escoamento ideal em tanques de contato (do tipo pistão), t 10 e 2 são respectivamente iguais a 1,0 e 0,0. Os valores de t 10 e 2 para a curva DTR-Q f são iguais a 0,26 e 0,511, respectivamente, que desviam-se significativamente dos valores para o escoamento pistão, indicando a baixa EH da unidade na sua configuração original. Avaliação de medidas de redução de intensidades de curto-circuitos Como foi visto no item anterior, a unidade de contato na sua configuração original é problemática com relação à a ocorrência de curto-circuitos. Estudos recentes (Siqueira e Teixeira, 1996; Almeida, 1997), desenvolvidos de forma sistemática, demonstram que defletores de escoamento são dispositivos altamente efetivos no que concerne a minimização de curto-circuitos. Em uma primeira etapa foram estudadas quatro alturas (h) de defletor, em função do diâmetro da seção de entrada da unidade (D = 86 mm): 0,75D; D; 1,25D e 1,5D. Os defletores foram posicionados a uma distância de 86 mm da entrada, ocupando toda a largura do tanque e a vazão foi mantida constante, igual a Q f (1,16 l/s). Os resultados de t 10 e 2 para cada altura h são dados na Figura 4. Como se pode observar, t 10 para qualquer dos valores de h (0,32-0,44) foi superior à situação de não utilização de XII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Parâmetros defletores (0,26). Em geral, com a utilização de defletores os valores de inferiores à configuração sem defletor. 2 foram = D D 1.25 D 1.5 D t 10 = t10 s Altura do defletor Figura 4 - Efeito da inserção dos defletores de escoamento na Eficiência Hidráulica, utilizando Q f = 1,16 l/s Verificação da sensibilidade da EH da unidade a variações da profundidade de escoamento Como dito acima, durante a operação da unidade protótipo, constatou-se haver uma variação (linear) de profundidade do escoamento ao longo do tempo. Com o intuito de avaliar o desempenho do defletor de escoamento (h = 1,5D) quanto a dissipação da energia cinética do jato na entrada da unidade, com o aumento da aceleração das partículas de fluido, devido a redução de pressão estática sobre o jato. Duas outras profundidades de escoamento foram testadas (H = 47,1 cm e 42,5 cm). Os resultados são apresentados na Figura 5. 6 XII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos

7 Parâmetros C/Co/Re Profundidade=50.3 cm Profundidade=47.1 cm Profundidade=42.5 cm t/t h = 42.5 cm h = 47.1 cm h = 50.3 cm 2 = t 10 = 0.26 t10 s Profundidades Figura 5 - Efeito da variação da profundidade do tanque no escoamento, utilizando Q f = 1,16 l/s Uma análise dessa figura indica que o desempenho do defletor para as três diferentes profundidades foi muito bom, dado pela pequena diferença entre os valores de t 10. Já os valores de 2 foram bem mais sensíveis às alterações nos valores de H (profundidade). CONCLUSÃO Os métodos de semelhança dinâmica de Froude e da Distribuição de tempos de residência (Hart e Gupta, 1978) resultaram em, aproximadamente, um mesmo valor de vazão para o modelo reduzido; XII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 O fator linear de escala utilizado (1:8) mostrou-se muito satisfatório para a análise de EH em modelos reduzidos, utilizando-se técnica de traçagem; Resultados do diagnóstico indicaram um baixo desempenho hidráulico da unidade, na sua configuração original; O emprego de defletores de escoamento foi muito eficaz na redução de intensidades de curtos-circuitos e muito estável quanto a variações de profundidade, na ordem de 8% do valor correspondente à profundidade máxima estudada (H=50,3 cm). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Almeida, M.M.P., Estudo do Efeito de defletor de escoamento e da relação comprimento/largura efetiva do escoamento na eficiência hidráulica de bacia de sedimentação, DHS-CT-UFES, Vitória - ES, Março de Hart, F.L., e Gupta, S.K., Hydraulic analysis of model treatment units, Journal of the Environmental Engineering Division, ASCE, Vol. 104, n o EE4, 1978, pp Siqueira, R.N., e Teixeira, E.C., Utilização de defletores na minimização da energia cinética do escoamento na entrada de tanques de contato, III Congresso de Estudantes de Engenharia Mecânica, UFRJ, Agosto de Teixeira, E.C., Hidrodynamic processes and hydraulic efficiency of chlorine contact units, Ph. D. Thesis, Bradford University, England, XII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos

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