II-363 INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS PARA PROJETOS DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS DE ESGOTO

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1 II-363 INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS PARA PROJETOS DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS DE ESGOTO Milton Tomoyuki Tsutiya (1) Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da USP (1975). Mestre em Engenharia pela Escola Politécnica da USP (1984). Doutor em Engenharia pela Escola Politécnica da USP (1990). Professor do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP. Engenheiro da Sabesp desde 1976, com experiências nas áreas de Planejamento, Projeto, Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico. Engenheiro da Assessoria para Desenvolvimento Tecnológico da Sabesp. Endereço (1) : Rua Palestina 531, Apto 74 Vila Mascote São Paulo SP - CEP: Brasil - Tel: (11) mtsutiya@sabesp.com.br. RESUMO A Sabesp elaborou uma série de projetos típicos de estações elevatórias de esgoto nas décadas de 70 e 80, que tem sido utilizadas em todos os sistemas operadas pela Companhia. Entretanto, com o avanço das tecnologias de bomba e outros equipamentos eletromecânicos, e também, pesquisas hidráulicas sobre as elevatórias de esgoto, levou a Sabesp a elaborar novos projetos típicos, utilizando-se essas inovações tecnológicas. As principais inovações tecnológicas inseridas nos projetos da Sabesp e apresentadas neste trabalho, referem-se aos seguintes componentes das elevatórias de esgoto: cesto para remoção de materiais grosseiros, caixa para pré-sedimentação da areia, remoção da areia pelas bombas, dispositivo anti-vórtice e formato do fundo do poço de sucção. As elevatórias de esgoto que incorporam essas inovações tecnológicas, podem ser consideradas como elevatórias de maior avanço tecnológico mundial. PALAVRAS-CHAVE: Estações Elevatórias de Esgoto, Elevatórias de Esgoto, Inovações Tecnológicas em Elevatórias. INTRODUÇÃO Nas décadas de 70 e 80, a Sabesp elaborou uma série de projetos típicos de estações elevatórias de esgoto, que têm sido utilizados até hoje, em diversas áreas da Companhia. Esses projetos, foram implantados na Região Metropolitana de São Paulo, Interior e Litoral, e ao longo desses anos foram observados alguns problemas que necessitam serem corrigidos. Decorridos mais de 20 anos, houve um grande avanço nas tecnologias de bomba e outros equipamentos eletromecânicos, e também, nas pesquisas hidráulicas sobre as elevatórias de esgoto, que devem ser incorporadas aos novos projetos. Como na Sabesp e em outros sistemas de esgotos sanitários no Brasil estão sendo projetados e construídos uma grande quantidade de elevatórias de esgoto, há necessidade de se elaborar projetos incorporando essas novas tecnologias e corrigindo os problemas detectados em elevatórias existentes. OBJETIVO Apresentar as principais inovações tecnológicas inseridas em projetos típicos de estações elevatórias de esgoto da Sabesp. Essas inovações foram inseridas nos seguintes componentes das elevatórias: Cesto para remoção de materiais grosseiros; Caixa de pré-sedimentação de areia; Remoção de areia pelas bombas; Dispositivo anti-vórtice no poço de sucção; Formato do fundo do poço de sucção. Essas inovações podem ser utilizadas em todos os tipos de elevatórias de esgoto. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 METODOLOGIA Para o desenvolvimento do estudo foi utilizada a seguinte metodologia: Revisão bibliográfica; Análise crítica dos padrões utilizados na Sabesp; Consulta aos principais fabricantes de equipamentos eletromecânicos; Pesquisas hidráulicas desenvolvidas pelos principais centros de pesquisa; Levantamento das melhorias operacionais desenvolvidas na Sabesp; Proposta de projetos típicos de estações elevatórias de esgoto. PRINCIPAIS INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS Cesto para remoção de materiais grosseiros A remoção de materiais grosseiros do esgoto afluente às elevatórias deve ser realizada sempre, com o objetivo de proteger os conjuntos elevatórios. Para a remoção desse material podem ser usados dois equipamentos distintos: cesto e grade. As áreas operacionais da Sabesp divergem quanto à necessidade ou não da utilização do cesto. No entanto, a maioria dessas áreas considera o cesto uma boa solução para a retenção de materiais grosseiros, e recomendam modificações nos cestos existentes, com o objetivo de facilitar a sua limpeza. Dentre os vários tipos de cestos utilizados nas áreas operacionais da Sabesp, mereceram atenção especial, o cesto desenvolvido na Unidade de Negócio Baixo Tietê e Grande, pela sua facilidade de limpeza. Após a análise detalhada desse cesto, e informações operacionais do seu funcionamento, recomenda-se a utilização desse cesto (Figura 1). Figura 1: Cesto proposto para ser utilizado em projetos de elevatórias de esgoto. O cesto é constituído de barras formando quadrículas. No entanto, essas quadrículas não são formadas num mesmo plano, mas através de dois sistemas de grades paralelas, uma na vertical e outra na horizontal, que são encaixadas no cesto independentemente uma da outra. Esta formação facilita sobremaneira a limpeza do cesto. Tanto as laterais, como o fundo desta grade, são totalmente vedadas, de modo que, a única parte vazada é a de topo para a tubulação afluente de esgoto. Cada uma das grades é formada por vários módulos de "garfo", que por sua vez é composto por um número variável de barras. Cada garfo" pode ser retirado independentemente um do outro, facilitando a limpeza. O cesto deverá ser executado em aço inox. Os cestos podem ser localizados dentro do poço de sucção e fora do poço de sucção, no poço de montante. Neste caso, haverá dois cestos, um na entrada do esgoto (cesto de montante), e o outro na saída do esgoto (cesto de jusante). As guias dos cestos devem ser de aço inox, com diâmetro mínimo de 50 mm. O içamento ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 deve ser realizado através de corrente de aço inox, presa nas alças do cesto numa extremidade e na outra dotada de anel que permita enganchá-la no sistema de içamento. Para a retirada e colocação do cesto para recolher o material nela retido, bem como para eventuais manutenções, as EEEs devem ter um dispositivo mecânico através de guindaste de coluna com lança giratória, com troller e talha manual ou motorizada. Esse mesmo guindaste deverá ser colocado de maneira que permita o içamento, também das bombas. É fundamental que na área da elevatória haja um ponto de água limpa para facilitar a limpeza do cesto e da área, e para a higienização do operador. Caixa de pré-sedimentação de areia Dependendo das condições locais, e principalmente quando o objetivo é a proteção da bomba, pode ser utilizada a caixa de pré-condicionamento, que tem as seguintes funções: Remoção de parte do material sedimentável, principalmente partículas de areia com diâmetros superiores a 1 mm; Remoção de materiais flutuantes, pois nessa caixa serão instalados dois cestos, um para remoção de materiais grosseiros, e o outro, para remoção de materiais de dimensões menores. A caixa de pré-condicionamento proposta teve origem na Unidade de Negócio Baixo Paranapanema da Sabesp, onde é utilizada com sucesso para a proteção das bombas. Essa caixa é recomendada quando da impossibilidade de construção de caixas de areia e vazão maior que 10 L/s. A profundidade máxima dessa caixa é limitada a 6m devido ao alcance do Vacal, equipamento proposto para a limpeza da caixa. O depósito de sedimento é variável. A altura desse depósito, isto é, da cota do cesto de jusante até o fundo da caixa, deve ter altura superior a 0,50 m, sendo limitado pela profundidade máxima da caixa. Na Unidade de Negócio Baixo Paranapanema a altura do depósito é de cerca de 60 a 70 cm, e sua limpeza, em tempo seco, é de 15 em 15 dias. Em período chuvoso a freqüência de limpeza é maior. Remoção de areia pelas bombas Para vazões pequenas, e nos casos em que não é recomendável a utilização da caixa de areia ou caixa de présedimentação, a areia poderá ser recalcada pela bomba. Para isso, recomenda-se que o poço de sucção seja dotado de um sistema de mistura e agitação da areia, quer através de sistemas mecânicos produzidos pelos fabricantes de bombas, quer por um sistema de retorno do esgoto que está sendo recalcado. O sistema proposto nos projetos típicos teve como base a sua utilização com sucesso em elevatórias com bombas submersíveis na Europa. É importante nesta concepção, que a velocidade de retorno seja alta, e para isso a tubulação de retorno variará de 25 mm a 50 mm. Dispositivo anti-vórtice no poço de sucção Considerações gerais O poço de sucção, embora seja apenas parte de uma estação elevatória, é um dos componentes de maior importância, pois pode influir diretamente no desempenho da bomba, com reflexos diretos no aumento dos custos operacionais. Para o projeto do poço de sucção, o engenheiro hidráulico deve-se preocupar com a prevenção da formação de vórtices, pois a presença de escoamento com vorticidade pode trazer conseqüências prejudiciais às bombas. Os principais efeitos prejudiciais de escoamento com vórtices em poços de sucção de uma estação elevatória são os seguintes: A rotação no escoamento modifica a distribuição de velocidade na entrada do rotor da bomba, resultando num desempenho insatisfatório das pás, o que reduz a vazão recalcada; Quando ocorre o arraste de ar no poço, o rendimento da bomba é reduzida e sabe-se que tal redução é tão intensa que a presença de 1% de ar (em volume) no escoamento reduz a eficiência da bomba em 15%; A natureza intermitente de alguns vórtices pode provocar vibrações estruturais importantes, acelerando desgastes e provocando rupturas em componentes das bombas; A variação rápida da pressão no rotor da bomba, provocada pelo centro do vórtice, pode ocasionar vibração e cavitação. As bombas de fluxo axial são, em geral, as mais atingidas. Apesar de inúmeras pesquisas a respeito de vórtices em poços de sucção, o assunto ainda não está completamente esclarecido, dada a natureza complexa do fenômeno. Entretanto, pesquisas realizadas no ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Centro Tecnológico de Hidráulica, em São Paulo, e outras pesquisas realizadas nas instituições internacionais de pesquisas hidráulicas, apresentam recomendações para a eliminação ou diminuição do fenômeno de vórtices em poços de sucção de estações elevatórias de esgoto. Para a proposição do dispositivo anti-vórtice foram consideradas duas situações: Elevatória com bomba submersível; Outros tipos de elevatórias. Elevatória com bomba submersível Com o objetivo de identificação e eliminação de vórtices no poço de sucção de estações elevatórias de esgoto, com utilização de bombas submersíveis, o Centro Tecnológico de Hidráulica realizou diversas pesquisas em elevatórias padronizadas pela Sabesp. O estudo foi realizado em modelo reduzido através da utilização de dois modelos físicos, representando a elevatória com poço de sucção circular utilizado na RMSP e a elevatória com poço de sucção circular utilizado no interior do Estado de São Paulo. A pesquisa envolveu os seguintes tópicos: geração de vórtices; condições de semelhança; elevatória com poço de sucção circular ensaios realizados: elevatória com duas bombas, elevatória com três bombas e elevatória com quatro bombas. Após a realização dos ensaios, conclui-se que, em elevatórias circulares padronizadas para a RMSP, observouse uma ocorrência de vórtices na entrada da bomba para o poço de sucção com freqüência bastante elevada, e em alguns casos também com intensidade forte, devendo interferir no rendimento da bomba. Para as elevatórias do poço circular padronizada para o interior do estado, não foram observados vórtices em intensidade ou freqüência elevados, de modo que, nesses casos não foi necessária a implantação da estrutura anti-vórtice. O equipamento supressor de vórtice proposto pelo CTH, para elevatória circular com bomba submersível é apresentado na Figura 2. Trata-se de um cone instalado abaixo da sucção da bomba submersível. As dimensões do cone deverá obedecer as seguintes relações: HC = 0,45 H; BC = 1,15 HC. Figura 2: Supressor de vórtice para elevatória com bomba submersível. Fonte: CTH (1999). Outros tipos de elevatórias Para outros tipos de elevatórias que não utilizam bombas submersíveis, tais como: Elevatória com bombas de eixo horizontal; Elevatória com bombas de eixo vertical; Elevatória com bombas auto-escorvante; a tomada de água é feito através da tubulação de sucção. Para esse tipo de tomada, recomenda-se a utilização das pesquisas realizadas na British Hydromechanics Research Association da Inglaterra e na Montana State University dos Estados Unidos. Associando-se essas duas pesquisas, resultam as recomendações propostas e apresentadas na Figura 3: ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 - D/d = 1,5 a 1,8; - S = 1,5 D; sendo, D - diâmetro da entrada na tubulação de sucção, d - diâmetro da tubulação de sucção, S - submergência da tubulação de sucção. Figura 3: Recomendações para a entrada de água na tubulação de sucção e para o supressor de vórtice. Fonte: British Hydromechanics Research Association (1980) e Montana State University (1995). A proposta recomendada pelas instituições de pesquisa já foi utilizada pela Sabesp na EEE 3 Pinheiros/SP, conforme se observa na Figura 4. Figura 4: Detalhes do anti-vórtice (cone) e entrada na tubulação de sucção da EEE-3 Pinheiros/SP. Formato do fundo do poço de sucção Um formato adequado do fundo do poço de sucção, associado a um sistema de revolvimento ou mistura da areia, facilitará a manutenção do fundo do poço de sucção sem areia. Evidentemente esta areia deverá ser recalcada junto com o esgoto. Para minimizar o problema da deposição de material sedimentado no fundo do poço de sucção, devem ser considerados os seguintes: As inclinações do fundo voltadas para o ponto de sucção, devem estar com angulação em relação à horizontal, com valores em torno de 60 º; As superfícies das paredes e do fundo devem ser bastante lisas para evitar que tanto a areia, com o lodo se depositem; A criação de um poço menor no ponto de sucção da bomba, para que todo o material sedimentável possa ser succionado pela bomba e recalcado junto com o esgoto; ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 A utilização de sistemas de agitação e revolvimento da areia, através de sistemas mecânicos existentes, ou a mistura e agitação através do retorno para o poço de sucção, de parte do esgoto contido na tubulação de recalque, ou que está sendo recalcado. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES As principais conclusões e recomendações deste trabalho são apresentadas a seguir: Os cestos para a remoção de materiais sólidos podem ser localizados dentro e fora do poço de sucção, sendo recomendado o cesto utilizado com sucesso na Unidade de Negócio Baixo Tietê e Grande; A caixa de pré-sedimentação que teve origem na Unidade de Negócio Baixo Paranapanema é recomendada nos casos da impossibilidade de construção de caixas de areia, para vazão superior a 10 L/s e profundidade máxima de 6m; Recomenda-se que o poço de sucção seja dotado de um sistema de mistura e agitação da areia, quer através de sistemas mecânicos produzidos pelos fabricantes de bombas, quer por um sistema de retorno do esgoto que está sendo recalcado. Esse sistema de retorno é o mais adequado devido ao seu menor custo de instalação e operação, e tem sido utilizado com sucesso em elevatórias de esgoto em países europeus; Os supressores de vórtices recomendados podem ser utilizados tanto para elevatórias de água como para elevatórias de esgoto. O cone é o principal equipamento supressor de vórtice, embora em determinados casos, esse cone pode ser substituído por uma chapa ou pirâmide. Testes realizados em instituições de pesquisa mostram que o cone é eficiente para a supressão de vórtice sub-superficial, sendo necessário uma submergência mínima para a supressão do vórtice superficial; O formato do poço de sucção é importante para minimizar a deposição de material sedimentado no fundo do poço. As inclinações do fundo voltadas para o ponto de sucção devem estar com angulação em relação à horizontal, com valores em torno de 60 o. É recomendável a criação de um poço menor no ponto de sucção da bomba, para que todo o material sedimentável possa ser succionado pela bomba e recalcado junto com o esgoto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BRITISH HYDROMECHANICS RESEARCH ASSOCIATION - The hydraulic design of pump sumps and intakes. BHRA. London, CENTRO TECNOLÓGICO DE HIDRÁULICA - Estudo de estação elevatória de esgoto relatório final. São Paulo, JONES, G. M.; SANKS, R.L. Pumps: selection, instalation, and intakes. Chapter 12. In: Pumping Station Design. Boston, MONTANA STATE UNIVERSITY - Improvements in pump intake basin design. National Technical Information Service 5285, PLANGESA Análise crítica de estações elevatórias de esgoto. Relatório R2. Sabesp. São Paulo, PROSSER, M.J. The hydraulic design of pump sumps and intakes. British Hydromechanics Research Association. London, PUMPEX Catálogo de bombas submersíveis SABESP Cesto para remoção de materiais grosseiros em estações elevatórias de esgoto. Unidade de Negócio Baixo Tietê e Grande. Lins, SABESP Projetos típicos de estações elevatórias de esgoto. Relatório final. Superintendência de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico. Plangesa. Dezembro/ SABESP Índices de atendimento dos domicílios urbanos com redes de esgotos. Relatório de Gestão Empresarial. Diretoria de Gestão de Assuntos Corporativos. São Paulo, Novembro de TSUTIYA, M. T.; ALEM SOBRINHO, P. - Coleta e transporte de esgoto sanitário. São Paulo, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6