UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ FRANCIELE ARNDT DIMENSIONAMENTO DE UMA REDE DE HIDRANTES PARA UMA USINA HIDRELÉTRICA NO ESTADO DO RIO DE JANEIRO São José 2008
UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ DIMENSIONAMENTO DE UMA REDE DE HIDRANTES PARA UMA USINA HIDRELÉTRICA NO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Monografia apresentada como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheira Industrial Mecânica, na Universidade do Vale do Itajaí, Centro de Educação São José. Orientador: Prof. Eduardo G. Reimbrecht São José 2008
FRANCIELE ARNDT DIMENSIONAMENTO DE UMA REDE DE HIDRANTES PARA UMA USINA HIDRELÉTRICA NO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Esta monografia foi julgada adequada para obtenção do título de Engenheira Industrial Mecânica e aprovada pelo Curso de Engenharia Industrial Mecânica da Universidade do Vale do Itajaí, Centro de Educação de São José. Área de Concentração: Hidráulica São José, 20 de Junho de 2008 Prof. Eduardo G. Reimbrecht UNIVALI CE de São José Orientador Prof. Maurício Nath Lopes UNIVALI CE de São José Membro Prof. Ricardo Monteiro UNIVALI CE de São José Membro
10 1 - INTRODUÇÃO 1.1 - Objetivos 1.1.1 - Objetivo geral Projetar uma rede de hidrantes para uma Usina Hidrelétrica situada no Estado do Rio de Janeiro. 1.1.2 - Objetivo específico Este trabalho visa contribuir com a divulgação de conhecimentos relativos à utilização de sistema de hidrantes em instalações de geração e distribuição de energia elétrica. Por não haver normas específicas que atendam casos particulares como o citado acima, será realizada uma adaptação de normas e conceitos relativos a utilização do sistema no âmbito geral. Normas estas expedidas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT e pelo Corpo de Bombeiros do Estado do Rio de Janeiro. Para a determinação da perda de carga será utilizado diferentes métodos de cálculo, avaliando os resultados obtidos. 1.2 - Conceitos básicos 1.2.1 - O fogo O fogo é uma reação físico química de oxidação que libera luz e calor em intensidades variáveis. Para que haja fogo, deve existir a combinação de 3 componentes: o combustível, o calor e o comburente, como apresentado esquematicamente na Figura 1.
11 Figura 1 Tetraedro do fogo. O combustível, ou agente redutor, é toda substância capaz de queimar e alimentar a combustão. O combustível pode ser líquido, sólido ou gasoso, porém, a grande maioria precisa passar pelo estado gasoso para combinar-se com o oxigênio. A passagem de um combustível sólido para o estado gasoso dar-se-há pela pirólise, que é a decomposição química através do calor. Para um combustível líquido, esta passagem dar-se-há pela vaporização. A velocidade de queima de um combustível depende de sua capacidade de reagir com o comburente mediante adição de calor. [OLIVEIRA, 2005, p.18] O calor é uma forma de energia que se transfere de um sistema para outro em função da diferença de temperatura. É a energia que eleva a temperatura e é gerada através da transformação de outra forma de energia através de processos físicos ou químicos [Corpo de Bombeiros do Estado de São Paulo, 2004, p.105; OLIVEIRA, 2005, p.19] O comburente, ou agente oxidante, é toda substância que cede oxigênio ou outros gases oxidantes durante uma reação química. É ele que intensifica a combustão. O comburente mais comum e que está presente em abundância na natureza é o oxigênio. A atmosfera é composta por 21% de oxigênio, 78% de nitrogênio e 1% de outros gases. Com o desenvolver de uma reação de combustão, esta consome o oxigênio de forma contínua. Quando a concentração de oxigênio diminuir de 21% para valores entre 16% a 8%, a combustão torna-se mais lenta e as chamas dão lugar as brasas. Quando a concentração de oxigênio no ambiente for reduzida a valores inferiores a 8%, a combustão deixará de existir. [OLIVEIRA, 2005, p.17]
12 1.2.2 - Classes de incêndio Os incêndios são classificados da seguinte forma: [OLIVEIRA, 2005, p. 38; ZARZUELA; ARAGÃO, 1999, p. 283] Classe A Destinada à incêndios envolvendo combustíveis sólidos comuns, como por exemplo, madeira, papel, tecido, borracha, plásticos, etc. A queima ocorre em superfície e em profundidade. Classe B Destinada à incêndios envolvendo líquidos inflamáveis, graxas e gases combustíveis, como por exemplo, a gasolina. A queima ocorre em superfície e não deixa resíduo. Classe C Destinada à incêndios envolvendo equipamentos elétricos energizados, como por exemplo, quadros elétricos. Ao ser desligada a rede elétrica, os equipamentos, agora desenergizados, devem ser considerados como classe A. Classe D Destinada a incêndios envolvendo materiais pirofóricos, como por exemplo, o magnésio. 1.2.3 - Meios de extinção do fogo Segundo Oliveira [2005], os meios de extinção do fogo podem ser agrupados da seguinte forma: Retirada do material Baseia-se na retirada do material combustível, ainda não atingido, da área de propagação do fogo, interrompendo assim a alimentação da combustão. Esta é a forma mais simples de extinção do fogo. Resfriamento Consiste em diminuir a temperatura do material combustível que está queimando o que, consequentemente, reduz a liberação de gases e/ou vapores inflamáveis. Este é o método mais utilizado. Abafamento
13 Método que consiste em diminuir ou impedir o contato do oxigênio com o combustível. Não havendo comburente para reagir, não haverá fogo. A diminuição do oxigênio em contato com o combustível torna a combustão mais lenta até sua completa extinção. Quebra da reação química em cadeira Consiste na introdução de determinadas substâncias na reação de combustão com o propósito de inibi-la e, com isso, criar uma condição em que o combustível e o comburente perdem suas capacidades de manter o processo da reação química em cadeia. Um exemplo deste meio de extinção é a utilização de espuma mecânica na extinção de incêndio em líquidos combustíveis e inflamáveis. De acordo com o Corpo de Bombeiros do Estado de São Paulo [2004], a espuma tem a propriedade de cobrir e aderir a superfície desses líquidos, formando uma camada resistente e continua que o isola do ar, impedindo a liberação de vapores inflamáveis. 1.2.4 - Sistemas de combate a incêndio Os sistemas de combate a incêndio são divididos da seguinte forma: [Corpo de Bombeiros do Estado de São Paulo, 2004, p.105] Extintores Consiste de um aparelho de operação manual constituído de recipiente e acessórios contendo o agente extintor destinado a combater princípios de incêndio. Hidrantes Sistema destinado a conduzir e distribuir saídas de água ao longo de uma edificação. Sua finalidade é combater princípios de incêndio onde os extintores se tornam insuficientes. Mangotinho Sistema cujos princípios de dimensionamento e funcionamento são semelhantes aos hidrantes. Recomendados em locais onde o manuseio do sistema é realizado por pessoas não habilitadas. Sprinklers (chuveiros automáticos) Sistema de chuveiros automáticos composto por uma rede hidráulica pressurizada contendo diversos dispositivos para dispersão da água, sendo estes associados a um
14 elemento termosensível. O rompimento deste elemento aciona e permite o funcionamento do sistema. Espuma Mecânica Sistema que consiste em misturar à água uma espuma cuja propriedade principal é a de aderir aos líquidos combustíveis e inflamáveis formando uma camada resistente, evitando o contato dos vapores voláteis destes líquidos com o ar. 1.2.5 - Classes de risco de incêndio De acordo com a Resolução nº 109 do Corpo de Bombeiros do Estado do Rio de Janeiro, as edificações podem ser classificadas, quanto ao seu risco de incêndio, da seguinte forma: Risco Pequeno Compreende as edificações unifamiliares, multifamiliares (sem serviços como lavanderia, restaurante, etc), garagens de edificações multifamiliares (servidas por rampas) e edificações mistas (com comércio somente no piso térreo). Risco Médio Compreende as edificações multifamiliares com serviços, como por exemplo, hotéis, hospitais, orfanatos, asilos, bibliotecas, garagens em estabelecimentos comerciais, estabelecimentos comerciais, edificações de reunião de público, museus, prisões, quartéis, depósitos de alimentos e produtos industrializados, comércio ou indústria de produtos incombustíveis, edifício garagem, shopping e mercados. Assim como grandes estabelecimentos industriais, tais como fábricas de cimento, de laticínio, de jóias, de cerveja e refrigerante, de abrasivos, de alimentos em conserva, de motores, de produtos de fumo, de instalações de galvanoplastia, entre outros. Risco Grande Compreende os moinhos de cereais, as usina de beneficiamento de arroz, as plantas de torrefação de café, as destilarias de alcatrão, os hangares de avião, os estúdios de televisão e cinematográficos, as fábricas ou comércio de produtos em couro. Assim como, fábricas de cola, de vassouras e escovas, de papel e papelão, de borracha, de plásticos, de espuma, de produtos de fibra natural, de produtos de madeira, de produtos têxteis e similares, de produtos de cêra, de produtos de sisal, de produtos de juta, de óleos combustíveis, de bebidas alcoólicas, de fósforo, de produtos de cortiça e derivados, de produtos de
15 celulóide e derivados, de fogos de artifício, de tintas e solventes inflamáveis, de produtos petroquímicos, de explosivos, entre outros. Além da classificação indicada acima, existem também três parâmetros para avaliação do risco. Parâmetros estes que são utilizados para classificar o risco de edificações que não foram citadas, bem como, para ajustar a classe de risco de edificações que foram citadas. Fator de natureza estrutural O risco é avaliado considerando a situação da edificação, o tipo de material usado na estrutura e nos fechamentos interno e externo, a forma de compartimentação, o escape ordinário e alternativo e a cota máxima da edificação. Fator de natureza ocupacional O risco é avaliado considerando a densidade de carga de incêndio em razão da massa de combustível por unidade de área, combustibilidade do material, processamento comercial ou industrial dos produtos e forma de estocagem. Fator de natureza humana O risco é avaliado considerando a população fixa e transitória, a atividade exercida e as características inerentes ao público. 1.2.6 - Sistema de combate a incêndio por hidrante Sistema utilizado para o combate de incêndios no qual a água deve apresentar pressão e vazão suficiente que assegure o seu funcionamento por um tempo mínimo pré-determinado. De acordo com o Corpo de Bombeiros do Estado de São Paulo [Instrução Técnica nº 02/2004, p. 122] e a ABNT (NBR 13714), o sistema é composto dos seguintes componentes: Reservatório de água ou Reserva Técnica de Incêndio (RTI): reservatório com volume que varia de acordo com o risco e a área a ser atendida. Este deve ser para utilização exclusiva do sistema de incêndio. Bomba de incêndio: utilizada e dimensionada a propiciar um reforço de pressão e vazão, de acordo com o dimensionamento hidráulico e de forma que o sistema necessita. Quando os desníveis estático entre o reservatório e o hidrante mais desfavorável são suficientes para fornecer tais pressão e vazão, a utilização da bomba pode ser dispensada.
16 Conjunto de peças hidráulicas e acessórios: composto por registros (gaveta, angular e recalque), válvula de retenção, esguichos, etc. Tubulação: responsável pela condução da água até as saídas de hidrantes. Seu dimensionamento deve ser determinado por cálculo hidráulico. Quando instaladas aparente, estas devem ser totalmente pintadas na cor vermelho. Forma de acionamento do sistema: quando o sistema possuir bomba, estas podem ser acionadas por botoeiras, pressostatos, chaves de fluxo ou por bomba auxiliar (jockey 1 ). 1.3 - Método de cálculo para determinação da perda de carga Para este cálculo, será realizado um comparativo entre as fórmulas de Hazen-Williams e a Universal. De acordo com Colebrook, a perda de carga em uma tubulação é dada pela seguinte equação: h f 2 Lequiv V = f (1) D 2g Onde: h f é a perda de carga, em metros de coluna d água (mca); f é o fator de atrito, coeficiente adimensional que depende da rugosidade do tubo, do material e do fluido; Lequiv é o comprimento equivalente da tubulação (tubos, conexões, válvulas, etc), em metros; D é o diâmetro interno da tubulação, em metros; V é a velocidade do fluido, em metros por segundo; g é a aceleração da gravidade, em metros por segundo ao quadrado; De acordo com Hazen William, a perda de carga em uma tubulação é dada pela seguinte equação: 1 Bomba de alta pressão e baixa vazão. Utilizada para reposição de pressão, em uma rede de tubulações, em caso de perda por vazamentos, etc.
17 1,85-1,85-4,87 J = 10,643 Q C D (2) Onde: J é a perda de carga, em metro de coluna d água (mca) por metro de tubulação; Q é a vazão, em metro cúbico por segundo; C é o coeficiente adimensional que depende da natureza das paredes do tubo; D é o diâmetro interno da tubulação, em metros;
70 3 - Conclusão Na determinação da perda de carga, os resultados obtidos pelos métodos de Hazen-Williams e Universal foram semelhantes. Pela maior facilidade de cálculo apresentada, considera-se o método de Hazen-Williams o mais indicado. O projeto foi aprovado junto ao Corpo de Bombeiros do Estado do Rio de Janeiro, o que comprova que a adaptação para Usinas Hidrelétricas, da norma existente para subestações de energia, foi considerada adequada. Desta forma, este trabalho serve como base para futuros projetos de sistemas de hidrantes para Usinas Hidrelétricas. Também fica evidente a funcionalidade do sistema de hidrantes projetado.
71 4 - Referências AZEVEDO NETTO, José M. de, Manual de Hidráulica. 8ª edição atualizada São Paulo: Editora Edgard Blücher, 1998. CORPO DE BOMBEIROS DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO. Resolução nº 109, de 21 de Janeiro de 1994. Disponível em: http://www.cbmerj.rj.gov.br/documentos/coscip/resolucao_sedec_nr_109_-_21-01-1993_-_ficam_aprovadas_as_normas_tecnicas_nr_emg_bm-7_001_e_002-1993.pdf. Acesso em: 07 de maio de 2008. CORPO DE BOMBEIROS DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO. Resolução nº 142, de 15 de março de 1994. Disponível em: http://www.defesacivil.rj.gov.br/documentos/coscip/resolução_nº_142_de_15_ DE_MARÇO_DE_1994.pdf. Acesso em: 27 de abril de 2007. CORPO DE BOMBEIROS DO ESTADO DE SÃO PAULO. Instrução Técnica nº 02/2004 Conceitos Básicos de Segurança Contra Incêndio. Disponível em: http://www.ccb.polmil.sp.gov.br/its/instrucao_tec.htm. Acesso em: 23 de abril de 2008. OLIVEIRA, Marcos de. Manual de estratégias, táticas e técnicas de combate a incêndio estrutural. Florianópolis: Ediograf, 2005. ZARZUELA, José L.; ARAGÃO, Ranvier F. Química legal e incêndios. Porto Alegre: Sagra Luzzatto, 1999. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13714: Sistemas de hidrantes e de mangotinhos para combate a incêndio. Rio de Janeiro, 2000. CREDER, Hélio. Instalações Hidráulicas e Sanitárias. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, 1978.