M H ODELAÇÃO IDRÁULICA DA E S XPLORAÇÃO DE UM ISTEMA E Á R LEVATÓRIO DE GUAS ESIDUAIS MARISA CLÁUDIA MIRANDA FERNANDES Relatório de Projecto submetido para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM HIDRÁULICA ___________________________________________________ Orientador: Professor Doutor José Carlos Tentúgal Valente FEVEREIRO DE 2008 MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2007/2008 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446 (cid:13) [email protected] Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440 (cid:13) [email protected] (cid:222) http://www.fe.up.pt Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2007/2008 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2008. As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respectivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir de versão electrónica fornecida pelo respectivo Autor. Modelação Hidráulica da Exploração de um Sistema Elevatório de Águas Residuais AGRADECIMENTOS Ao meu orientador, o Professor Doutor Tentúgal Valente, pelo apoio e encorajamento prestados em todas as fases de execução deste trabalho, por todos os conhecimentos que me transmitiu e pela empa- tia evidenciada. À Águas do Minho e Lima, S.A., nas pessoas do Eng.º Pedro Bastos e do Eng.º Ulisses Biscaia, que disponibilizaram o seu tempo e a sua atenção para me esclarecer dúvidas e fornecer dados importantes para o progresso do meu projecto. Aos meus colegas, em especial ao Bruno Silva, ao Rodrigo Quintela, ao Miguel Saraiva e ao Nelson Romano, pelo companheirismo, pela amizade e pelas horas de discussão que ajudaram, de diferentes formas, a melhorar este trabalho. Aos meus queridos Afilhados, pelo apoio que me deram e dão e acima de tudo pela sua amizade. E, finalmente, à minha Família, em especial ao meu irmão Marco pela paciência carinhosa com que sempre me ouviu e atendeu e pelas preciosas ajudas que me prestou, mesmo sem a minha solicitação. i Modelação Hidráulica da Exploração de um Sistema Elevatório de Águas Residuais RESUMO O presente trabalho foi desenvolvido com o objectivo de criar um Programa de cálculo que constitua uma ferramenta para auxiliar o desenvolvimento do projecto e da operação de gestão de sistemas ele- vatórios de águas residuais com recurso à utilização de bombas centrífugas do tipo submersível. Ela- borou-se um algoritmo que define a lei de exploração destes sistemas, tendo em conta uma série de variáveis e de forma a alargar as possibilidades de simulação, com o objectivo de se obter um melhor desempenho técnico, económico e ambiental, recorrendo ao Microsoft® Office Excel e ao Microsoft® Visual Basic for Applications. Este relatório traduz a sequência de concepção e desenvolvimento deste trabalho. Assim, e para além do Capítulo 1 de introdução ao tema e ao trabalho, no Capítulo 2 faz-se o enqua- dramento do tema estudado. Explica-se onde e porque se incluem sistemas elevatórios de águas resi- duais no Ciclo de Utilização da Água, quais os sistemas usualmente utilizados, expondo as suas vanta- gens e desvantagens e, por fim, pormenoriza-se a caracterização dos sistemas com bombas centrífugas, referindo algumas medidas a seguir para a concepção de um sistema mais eficiente. O Capítulo 3 destina-se à explicação do processo de dimensionamento hidráulico sanitário de sistemas elevatórios com bombas centrífugas. O Capítulo 4 expõe o modo de funcionamento do algoritmo criado para a avaliação do funcionamento dos sistemas supracitados. Começa por explicar as cinco partes fundamentais em que se divide o Pro- grama e depois explora, mais pormenorizadamente, cada uma delas. Relativamente à última parte, a Análise de Desempenho à custa da definição e consideração de Indicadores de Desempenho, é feita uma referência especial e mais abrangente ao estado da arte do tema e só depois se especificam quais os indicadores adoptados para o caso das estações elevatórias de águas residuais e os respectivos crité- rios de avaliação. No Capítulo 5 explica-se como se experimentou o Programa com dados referentes a uma estação ele- vatória em funcionamento e exploração e realiza-se a análise crítica dos resultados obtidos. Por fim, o Capítulo 6 reúne as conclusões que foram possíveis retirar no decurso do trabalho. PALAVRAS-CHAVE: águas residuais, esgotos, estações elevatórias, bombas centrífugas, indicadores de desempenho iii Modelação Hidráulica da Exploração de um Sistema Elevatório de Águas Residuais ABSTRACT This essay was carried out with the purpose of creating a Program that acts as a calculation tool to help the development of wastewater pumping systems with submersible centrifugal pumps’ project and management operations. An algorithm was developed to define the law of operation of these systems and in order to widen the simulation possibilities, taking into account a number of variables, seeking for the best technical, economical and environmental performance, using Microsoft® Office Excel and Microsoft® Visual Basic for Applications. This report registers the sequence of operations that led to the conception and development of this work. Thus, after an introduction to the theme and work on Chapter 1, Chapter 2 describes the context of the current subject. Here, it is explained where and why wastewater pumping systems are included on the Water Use Cycle, which systems are generally used, revealing its advantages and disadvantages, and, finally, a more detailed characterization of the centrifugal pumps’ systems is made, mentioning some of the measures one should take in order to achieve a more efficient system. Chapter 3 explains the hydraulic and sanitary design process of wastewater pumping systems using centrifugal pumps. Chapter 4 shows how the created algorithm works for the design and evaluation of the above men- tioned systems. It starts by explaining the five fundamental parts in which the Program is divided and then it examines more thoroughly each of them. As for the last part, the Performance Analysis based on the definition and consideration of Performance Indicators, a special and broader reference is made on the state of the art of this subject and only afterwards the indicators for wastewater pumping systems and their assessment criteria are indicated. Chapter 5 presents how the Program was experimented with data from an operating pumping station and a critical assessment of the obtained results is done. Finally, Chapter 6 compiles the many conclusions drawn by this essay. KEYWORDS: wastewater, sewer, pumping stations, centrifugal pumps, performance indicators v Modelação Hidráulica da Exploração de um Sistema Elevatório de Águas Residuais ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS ................................................................................................................................... i RESUMO .................................................................................................................................................. iii ABSTRACT ............................................................................................................................................... v   1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 1 2. ENQUADRAMENTO .................................................................................................... 3  2.1. CICLO DE UTILIZAÇÃO DA ÁGUA ................................................................................................... 3  2.2. SISTEMAS DE DRENAGEM URBANA ............................................................................................... 4  2.3. SISTEMAS ELEVATÓRIAS DE ÁGUAS RESIDUAIS .......................................................................... 6  2.3.1. EJECTORES PNEUMÁTICOS .............................................................................................................. 6  2.3.2. PARAFUSOS DE ARQUIMEDES ........................................................................................................... 8  2.3.3. BOMBAS CENTRÍFUGAS .................................................................................................................... 9  2.3.3.1. Constituição de um Sistema Elevatório com Bombas Centrífugas ......................................... 10  2.3.3.2. Recomendações Gerais para a Concepção de um Sistema Elevatório Eficiente ................... 12  2.4. SITUAÇÃO ACTUAL – PROBLEMAS A RESOLVER ....................................................................... 17  2.5. DELIMITAÇÃO DO ESTUDO ........................................................................................................... 18 3. SISTEMAS ELEVATÓRIOS DE ÁGUAS RESIDUAIS COM BOMBAS CENTRÍFUGAS ......................................................................................... 21  3.1. DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO ................................................................................................ 21  3.1.1. CONDUTA ELEVATÓRIA .................................................................................................................. 21  3.1.1.1. Diâmetro mínimo regulamentar ................................................................................................ 21  3.1.1.2. Velocidades máximas e mínimas ............................................................................................. 22  3.1.1.3. Inclinações regulamentares ..................................................................................................... 22  3.1.2. CAUDAL AFLUENTE ........................................................................................................................ 22  3.1.2.1. Caudais de Águas Residuais Domésticas ............................................................................... 22  3.1.2.2. Caudais de Águas Residuais Industriais .................................................................................. 23  3.1.2.3. Caudais de Águas Pluviais ...................................................................................................... 23  3.1.2.4. Caudais de Infiltração ............................................................................................................... 24  3.1.3. CAUDAL BOMBADO ........................................................................................................................ 24  vii Modelação Hidráulica da Exploração de um Sistema Elevatório de Águas Residuais 3.1.4. ALTURA MANOMÉTRICA .................................................................................................................. 24  3.1.4.1. Perdas de Carga ...................................................................................................................... 25  3.1.4.2. Choque Hidráulico .................................................................................................................... 27  3.1.5. CÂMARA DE ASPIRAÇÃO ................................................................................................................. 29  3.1.5.1. Regulação de níveis ................................................................................................................. 30  3.1.5.2. NPSH ........................................................................................................................................ 31  3.2. CONTROLO DA SEPTICIDADE ....................................................................................................... 31 4. CONCEPÇÃO DO ALGORITMO .................................................................... 33  4.1. ARQUITECTURA DO PROGRAMA .................................................................................................. 33  4.1.1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 33  4.1.1.1. Requisitos para o Bom Funcionamento do Programa ............................................................. 33  4.1.1.2. Relatório de Cálculo ................................................................................................................. 35  4.1.2. BASE DE DADOS ............................................................................................................................ 35  4.1.3. CONDUTA ELEVATÓRIA ................................................................................................................... 35  4.1.4. CÂMARA DE ASPIRAÇÃO ................................................................................................................. 36  4.1.5. ANÁLISE DE DESEMPENHO .............................................................................................................. 36  4.2. VARIÁVEIS DO PROGRAMA ........................................................................................................... 36  4.2.1. CAUDAIS ........................................................................................................................................ 36  4.2.1.1. Caudal Afluente ........................................................................................................................ 36  4.2.1.2. Caudal Bombado ...................................................................................................................... 37  4.2.2. CONDUTA ELEVATÓRIA ................................................................................................................... 38  4.2.2.1. Diâmetro ................................................................................................................................... 38  4.2.2.2. Velocidade de escoamento ...................................................................................................... 39  4.2.2.3. Características do Material ....................................................................................................... 40  4.2.3. CARACTERÍSTICAS DO TERRENO, DA INSTALAÇÃO E DO ESGOTO ...................................................... 40  4.2.3.1. Valores restaurados por defeito ............................................................................................... 41  4.2.3.2. Perdas de carga localizadas .................................................................................................... 41  4.2.3.3. Coeficiente de ancoragem da conduta ..................................................................................... 41  4.2.3.4. Impressão de Diagramas ......................................................................................................... 42  4.2.4. CÂMARA DE ASPIRAÇÃO ................................................................................................................. 42  4.2.4.1. Volume ...................................................................................................................................... 42  4.2.4.2. Dimensão e Forma ................................................................................................................... 44  viii