6 Mistura Rápida. Continuação

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2 6 Mistura Rápida Continuação 2

3 Ressalto em medidor Parshall (calha Parshall): Foi idealizado por R.L. Parshall, engenheiro do Serviço de Irrigação do Departamento de Agricultura dos EUA. Originalmente foi pensado como medidor de vazão. É também um eficiente dispositivo de mistura rápida. Consiste de três seções: Uma seção convergente a montante; Uma seção estrangulada ou garganta; Uma seção divergente na saída. 3

4 O piso na seção convergente é horizontal, inclina-se para baixo na garganta e para cima na seção saída. 4

5 Podem ser construídos dois poços de medida de altura das lâminas liquidas. O primeiro, localizado no trecho convergente (o quando a unidade funciona com descarga livre ou afogada na saída). O segundo, localizado na garganta (necessário somente quando a descarga é afogada na saída) 5

6 As dimensões são padronizadas: 6

7 As dimensões padronizadas da calha Parshall constituem sua principal vantagem porque permitem o conhecimento prévio dos gradientes de velocidade. Apresenta ainda todas as vantagens dos vertedores: não requerer energia elétrica; a manutenção é simplificada pela ausência de partes móveis e pela facilidade de acessar a unidade; é utilizada como medidor de vazão. Entretanto, apresenta como desvantagens: 7

8 O misturador, depois de implantado, não pode controlar o gradiente de velocidade e o tempo de mistura quando a vazão afluente à ETA muda. A variação de vazão afluente à ETA pode gerar submersão do ressalto, diminuindo a eficiência da mistura. O misturador pode apresentar erosão no local onde o ressalto é gerado. A construção não é tão simples, comparada com os vertedores retangulares. 8

9 A unidade ocupa maior espaço em planta na ETA, comparado com difusores, injetores ou misturadores estáticos. A unidade para vazões inferiores a 40 l/s pode ser muito pequena, dificultando sua construção no local. Segundo Azevedo neto, a velocidade da água no início da garganta do Parshall, deve ser, pelo menos, igual a 2,0 m/s. 9

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12 A sequência de cálculo é semelhante a do ressalto por mudança de declividade: A energia hidráulica disponível é calculada pela equação: E o = E = U 1 2 (2. g) + H o + N 25 A profundidade da água pode ser calculada pela equação: H o = κ. Q n 26 Em que Q é a vazão em m 3 /s. Os valores de κ e n são dados na tabela abaixo. 12

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14 A velocidade da água na seção de medição é calculada pela equação: U o = Q 27 H o. D o em que que Q é a vazão em m 3 /s, e : D o = 2 3. (D W) + W 28 A profundidade na seção de saída (seção 3) é calculada por: y 3 = y 2 (N K) 29 14

15 A velocidade da água na seção de saída é dada por: U 3 = Q C. y 3 30 Como praticamente toda energia cinética é dissipada na seção divergente, o tempo de mistura pode ser estimado pela velocidade média entre a velocidade U1 na saída da garganta (seção 1) e a velocidade na saída da Parshall U3 na seção 3: T mr = G (U 1 +U 3 )

16 Roteiro para o cálculo do ressalto hidráulico com calhas Parshall: Cálculo da profundidade Ho (na seção de medição) => equação 26 Cálculo da lardura Do (na seção de medição) => equação 28 Cálculo da velocidade na seção o Uo => equação 27 Cálculo da vazão específica (na garganta da calha) => Q/W Cálculo da energia hidráulica disponível Eo => equação 25 Cálculo do ângulo fictício θ => equação 24 Cálculo da velocidade na seção 1 U1 => equação 23 Cálculo da altura d água antes do ressalto - y1 => equação 21 Cálculo da número de Froude - F1 => equação 9 Cálculo da altura d água na seção 2 - y2 => equação 10 16

17 Cálculo da altura d água na seção 3 y3 => equação 29 Cálculo da velocidade na seção de saída 3 U3 => equação 30 Cálculo da perda de carga no ressalto - En => equação 11 Cálculo do tempo de mistura - Tmr => equação 31 Gradiente de velocidade - G => equação 4 17

18 Processo de coagulação calhas Parshall - ETA Campos do Jordão/SP FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 18

19 Processo de coagulação calhas Parshall - ETA Campos do Jordão/SP FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 19

20 Processo de coagulação calhas Parshall - ETA Campos do Jordão/SP FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 20

21 Processo de coagulação calhas Parshall - ETA Caraguatatuba/SP FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 21

22 Considerações sobre a aplicação do coagulante e localização da unidade de mistura: Com um único ponto de aplicação do coagulante a mistura só se completará a uma distância L (pode resultar num tempo inadequado para a coagulação). 22

23 Quanto maior o número de pontos, menores será a distância L e o tempo de mistura. Num ressalto hidráulico o coagulante deve ser aplicado antes da zona de turbulência, onde a lâmina tem a menor profundidade. Isso pode ser feito por meio de um tubo ou canaleta perfurada. 23

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26 Processo de coagulação calhas Parshall - ETA Campos do Jordão/SP FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 26

27 O espaçamento entre os orifícios não deve ser maior que 15 cm, de preferência 10 cm. Em ressaltos com F1 < 2,5, há tendência de parte da corrente passar pelo fundo sem turbulência e não receber coagulante no tempo devido. Isso pode ser contornado promovendo-se rugosidade artificial no fundo do canal. Em misturadores mecânicos tipo turbina, o coagulante deve ser aplicado um pouco abaixo do impulsor. 27

28 Como regra geral, a unidade de mistura rápida deve ficar o mais próximo possível dos tanques de floculação. A situação ideal é a mistura rápida se iniciar imediatamente aos a floculação. Quando isso não for possível devem-se prever medidas para se ter um gradiente no conduto (entre a mistura rápida e a entrada dos floculadores) não menor que o gradiente inicial de floculação. 28

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30 Processo de coagulação calhas Parshall - ETA Caraguatatuba/SP FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 30

31 Processo de coagulação calhas Parshall - ETA Caraguatatuba/SP FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 31

32 Mistura mecânica (com turbinas): Unidades mecanizadas de mistura rápida são muito utilizadas nos EUA e Canadá, enquanto as hidráulicas são comumente empregadas nos países europeus e em desenvolvimento. São classificados pelo tipo de fluxo produzido: de fluxo axial, que move o líquido paralelamente ao eixo do agitador. de fluxo radial, quando o líquido se move perpendicularmente ao eixo. 32

33 Agitadores tipo turbina e de hélices utilizados para mistura rápida 33

34 Câmaras de mistura: Seção circular D = H Seção quadrada Principal vantagem em relação aos relação aos misturadores hidráulicos: variação do gradiente de velocidade (variar a potência dissipada). 34

35 A potência dissipada pode ser calculada com base na equação de Uhl e Gray (1996): P = K. ρ. n 3. D 5 36 em que: P = potência dissipada (W); K = número de potência (adimensional); ρ = massa específica da água (kg.m -3 ); n = número de rotações por segundo (rpm); D = diâmetro da turbina (m). 35

36 O número de potência relaciona-se com o tipo de agitador e com o regime de escoamento. 36

37 Para agitadores com turbina de fluxo radial de seis pás retas fixadas em disco e em regime turbulento (Re > 10000), o valor de K passa a ser praticamente constante e igual a 5. 37

38 A mistura com turbinas envolve inicialmente a definição da geometria do tanque e da turbina. Fixado o volume do tanque, em função do tempo de mistura, deve-se procurar dimensões para o tanque e a turbina, conforme a tabela abaixo: 38

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40 Em condições turbulentas, a potência dissipada por unidade de volume em um tanque circular é a mesma que a de um tanque quadrado, quando o lado é igual ao diâmetro. Fixados o volume do tanque e o gradiente de velocidade, calcula-se a potência a ser dissipada P = μ.v.g 2. De posse desse valor e escolhidos o tipo e o diâmetro da turbina, determina-se a velocidade de rotação (s -1 ): 40

41 3 n = P K. ρ. D 5 37 Para diferentes intervalos de G e n, pode-se utilizar a relação: n = ( G 2 3 ) n o G o Agitadores Mecanizados (NBR 12216): a) A potência deve ser estabelecida em função do gradiente de velocidade; 41

42 b) Períodos de detenção inferiores a 2s exigem que o fluxo incida diretamente sobre as pás do agitador. c) O produto químico a ser disperso deve ser introduzido logo abaixo da turbina ou hélice do agitador Mistura por difusores de ar (mistura pneumática): Difusores de ar podem ser empregados nas fases de mistura rápida e floculação. 42

43 Apresentam vantagens quando é utilizada a clarificação por flotação. Adaptam-se facilmente as estruturas hidráulicas existentes, sendo uma alternativa para a ampliação ou otimização de uma ETA. É particularmente aplicável em canais de grande profundidade. O gradiente de velocidade é controlado pelo fluxo de ar, sendo que as bolhas de ar provocam a circulação do líquido. 43

44 A potência dissipada (W) pode ser calculada em função da expansão isotérmica do ar: P = ρ. g. Q ar. P a. ln ( H + P a P a ) 38 em que: g = aceleração da gravidade; Qar = vazão de ar (m 3 s -1 ); Pa = pressão atmosférica local (m.c.a) H = profundidade de instalação do difusor (m.c.a) 44

45 A pressão atmosférica, em metros de coluna d água, varia com a altitude Z segundo a expressão: P a = 10,33. (1 2, Z) 5, Para se obter um determinado gradiente, a vazão Qar (m 3.s -1 ) é: Q ar = μ. V ol. G 2 ρ. g. P a. ln ( H+P a P a ) Para a mistura rápida não importa o tamanho das bolhas

46 Para floculação é preferível um difusor de bolhas finas (diâmetro inferior a 0,1 mm). Podem ocorrer problemas com escuma, dependendo do coagulante utilizado. Pode ocorrer também presença de algas prejudicando a sedimentação e a filtração. 46

47 Processo de coagulação ETA Rio Grande (SABESP) FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 47

48 Processo de coagulação ETA Rio Grande (SABESP) FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 48

49 Malha difusora: São dispositivos que produzem jatos da solução de coagulante, aplicados no interior da água a ser tratada. É constituída por uma série de tubos dotados de orifícios para a dispersão do coagulante. São necessários pelo menos 16 orifícios por decímetro quadrado para se obter resultados satisfatórios. Isso implica num diâmetro muito pequeno para o orifício. Frequente obstrução e necessidade de limpeza (por isso o emprego dessas malhas difusoras caiu em desuso). 49

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52 Malhas difusoras (NBR 12216): a) A aplicação de solução de coagulante deve ser uniformemente distribuída, através de jatos não-dirigidos no mesmo sentido do fluxo; b) Velocidade mínima da água do reator: 2 m/s; c) Área máxima da seção transversal do reator correspondente a cada orifício: 200 cm 2 ; d) Diâmetro mínimo dos orifícios da malha difusora: 3 mm; e) O sistema difusor deve permitir limpezas periódicas nas tubulações que distribuem a solução de coagulante. 52

53 Na próxima aula: Floculação 53