Estações Elevatórias

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ENGENHARIA AMBIENTAL E SANITÁRIA 
ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS
Salvador- BA
2019
INTRODUÇÃO
Existem situações, como no Sistema de Coleta e Transporte de Esgotos ou mesmo no Sistema de Abastecimento de Água, por exemplo, nas quais as condições topográficas não favorecem o escoamento do líquido por gravidade.
E, segundo Tsutiya e Sobrinho (1999) todas as vezes que por algum motivo não seja possível, sob o ponto de vista técnico e econômico, o escoamento dos esgotos pela ação da gravidade, é necessário o uso de instalações que transmitam ao líquido energia suficiente parar garantir tal escoamento. Os autores denominam ainda essas instalações como estações elevatórias de esgotos, objetivando a transferência dos esgotos a partir de um ponto para outro de cota normalmente mais elevada.
Tsutya (2006) afirma que as estações elevatórias são componentes essenciais dos sistemas de abastecimento de água, sendo utilizado na captação, adução, tratamento e distribuição de água. O autor complementa, dizendo que o desenvolvimento de tecnologias dos equipamentos eletromecânicos, vem permitindo o emprego generalizado de estações elevatórias para solucionar os mais variados problemas de transporte de água.
As estações elevatórias são definidas entre outros pontos, pelos tipos de bombas, como também por seus motores acoplados que formam os principais aspectos de operação e manutenção e, por isso recebem também o nome de poços de bombeamento, ou estações de bombeamento (ARAUJO, 2014).
 ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS
A Norma Brasileira (NBR) 12208, que fixa condições exigíveis para a elaboração de projeto hidráulico sanitário de estações elevatórias de esgoto sanitário com emprego de bombas centrífugas, define estações elevatórias como instalação que se destina ao transporte do esgoto do nível do poço de sucção das bombas ao nível de descarga na saída do recalque, acompanhando aproximadamente as variações da vazão afluente.
Para a elaboração de um projeto para sistemas de bombeamento, a NBR 12214, que fixa as condições exigíveis para a elaboração de projeto de sistema de bombeamento de água para abastecimento público, diz ser necessário:
a) estudo de concepção elaborado conforme a NBR 12211;
b) definição das etapas de construção;
c) localização e definição da área necessária para sua implantação;
d) levantamento planialtimétrico cadastral da área de implantação;
e) sondagens de reconhecimento do subsolo da área de implantação;
f) características físico-químicas e biológicas da água a ser recalcada;
g) cotas dos níveis de água de montante e de jusante;
h) disponibilidade de energia.Figura 1 – Principais componentes de uma estação elevatória.
Fonte: ReCESA, 2008
A imagem ao lado (Figura 1) ilustra os componentes básicos de uma estação elevatória.
A figura nos dá uma noção do que é de fato uma estação elevatória, no entanto, precisamos definir os seus componentes, tais como sucção e recalque, bombas e motor para compreender o funcionamento de uma elevatória.
As definições usadas aqui são baseadas no Guia de Operação e Manutenção de Estações Elevatórias, elaborado pela Rede de Capacitação e Extensão Tecnológica em Saneamento Ambiental (ReCESA) em 2008.
Poço de sucção: é uma estrutura de transição que recebe as contribuições dos esgotos afluentes e mantém o líquido armazenado de forma adequada para que ocorra o bombeamento.
Recalque e barrilete: o conjunto de condutos e conexões que conduzem o fluido da bomba até um ponto superior, podendo ser um reservatório, por exemplo.
Bombas hidráulicas: equipamento com a função de aumentar a energia de um fluido, de forma que seja possível movimentá-lo de um ponto mais baixo para outro mais alto.
Motores: se trata de uma máquina que converte outras formas de energia em energia mecânica, de forma a proporcionar movimento a uma bomba ou a outras máquinas. Logo, conjunto moto-bomba é a combinação de motor e bomba para a finalidade do bombeamento.
Tubulações e Acessórios: as principais partes de interesse, constituintes das tubulações e acessórios, são as canalizações de sucção, de recalque e do barrilete, além das válvulas usualmente utilizadas.
Casa de bombas: é o local destinado a abrigar a bomba, o motor, os registros e válvulas, tubulações e demais acessórios.
A imagem abaixo (Figura 2) esquematiza uma elevatória sob a perspectiva de fatores que atua no sistema e que podem influenciar seu funcionamento.
Figura 2 – Esquema de uma Estação elevatória
Fonte: Azevedo Netto, 1998.
 
Na imagem altura geométrica, hG, é o valor do desnível geométrico vertical podendo ser dividida nas parcelas: altura de sucção, hS (distância vertical entre o nível do fluido no reservatório inferior e o eixo da bomba) e altura de recalque, hR (distância vertical entre o eixo da bomba e o nível do fluido no reservatório superior) (MARTINS E GUKOVAS, 2010). Os autores descrevem também altura manométrica, hman, como aquela corresponde à distância vertical mínima para que o fluido chegue ao ponto elevado, ou seja, altura geométrica, hG, acrescida das perdas de carga, e(hf). Logo,
 e, .
As perdas de carga ou energia é resultado do atrito entre o fluido e as paredes da tubulação quando ocorre o escoamento, podendo essas ser contínuas, se ocorrem ao longo de toda a tubulação e tem o mesmo valor, ou localizadas, se causadas pelo movimento do fluido com acessórios e possui valor diferente (ARAÚJO, 2014). Ainda segundo Araújo, a natureza do fluído escoado, o material empregado na fabricação dos tubos, o comportamento dos tubos e conexões e o regime de escoamento são fatores que influenciam significativamente na perda de carga.
BOMBAS
Podemos dizer que as bombas em conjunto com o motor formam o “coração” de uma estação elevatória. Para Martins e Gukovas (2010), bombas são equipamentos, basicamente rotor e motor, que transferem energia para o deslocamento do fluido.
Tipos de Bombas
As normas e especificações do Hydraulic Institute estabelecem quatro classes de bombas: centrífugas, rotativas, de êmbolo (ou de pistão) e de poço profundo. No entanto, as instalações para água e esgoto geralmente são equipadas com bombas centrífugas acionadas por motores elétricos (Azevedo Netto, 1998). Segundo Tsutyia (2006), com o advento da eletricidade e do motor elétrico, as bombas centrífugas passaram a serem preferidas, sobretudo nos sistemas de abastecimento de água, devido ao maior rendimento, custo menor de instalação, devido ao maior rendimento, curto menor de instalação, operação e manutenção. Em sistemas de coleta e tratamento de esgoto além das bombas centrifugas, é comum utilizar bombas parafuso e ejetores pneumáticos.
Para a seleção dos conjuntos motor-bomba, a NBR 12214 recomenda considerar os seguintes fatores: faixa de operação, decorrente das interseções entre as curvas características do sistema e das bombas, consideradas as variações de vazão e dos níveis de água, ou cargas piezométricas, de montante e de jusante, bem como o envelhecimento dos tubos, características da água a ser recalcada, disponibilidade de bombas no mercado, economia e facilidade de operação e manutenção e a padronização com equipamentos de outras elevatórias existentes.
Segundo a NBR 12208 a vazão, altura manométrica e o NPSH disponível são fatores determinantes para a seleção de uma bomba. Tendo esses dados e, consultando o gráfico de seleção (Figura 3) de cada fabricante onde se encontram as bombas de uma série com mesmo tipo, escolhe-se, preliminarmente, a bomba. Logo em seguida, procura-se no catálogo as curvas características ( Figura 4) que fornecem diâmetro do rotor, rendimento, potência, NPSH, rendimento, por exemplo.Fonte – Azevedo Netto, 1998.
Figura 4 – Exemplo de uma curva característica.
Figura 3 – Exemplo de um gráfico de seleção de bombas.
Fonte – Azevedo Netto, 1998.
Bombas centrífugas
São caracterizadas por possuírem um elemento rotativo dotado de pá (rotor), que fornece ao líquido o trabalho mecânico para vencer
o desnível necessário, e uma carcaça, que tem a função de receber o líquido que sai do rotor, transformando parte de sua energia cinética em energia potencial de pressão (SOBRINHO E TSUTIYA, 1999). A imagem a seguir (Figura 5) mostra o uma bomba centrífuga e detalha os seus componentes.
Figura 5 – Bomba centrífuga e seus componentes
Fonte – Lima, 1984 (apud Tsutyia, 2006).
Azevedo Neto (1998) acredita que para atender ao grande campo de aplicação, as bombas centrífugas são fabricadas nos mais variados modelos podendo ser classificadas de acordo com os seguintes critérios: 
Movimentação do líquido: sucção simples ou dupla sucção;
Admissão do líquido: radial, diagonal ou helicoidal;
Número de rotores: um estágio ou múltiplos estágios;
Tipo de rotor: rotor fechado, rotor semifechado, rotor aberto ou rotor a prova de entupimento;
Posição de eixo: eixo vertical, eixo horizontal e eixo inclinado;
Pressão: baixa pressão, média pressão ou alta pressão.
Bombas Parafuso
As bombas parafuso são provavelmente o tipo mais antigo de bombas existente. O seu funcionamento é baseado no princípio do parafuso de Arquimedes, no qual um eixo rotativo acoplado a uma, duas ou três lâminas helicoidais, girando num plano inclinado, eleva o esgoto (SOBRINHO E TSUTIYA, 1999). Os mesmos autores acrescentam que esses tipos bombas são é normalmente acionadas por motores elétricos de indução, trifásicos, e redutores de velocidade, de maneira a serem obtidas rotações apropriadas nos parafusos.
Ejetores Pneumáticos
De acordo com Sobrinho e Tsutiya (1999) Ejetores pneumáticos são equipamentos utilizados nos locais onde a vazão inicial é pequena e a vazão final de projeto não exceda a capacidade do ejetor.
O ejetor consiste, essencialmente, de um tanque fechado, para o interior do qual o esgoto flui, por gravidade, até atingir um determinado nível. Enquanto o tanque vai enchendo, o ar nele contido é expulso para a atmosfera. Quando o tanque está quase cheio pela ação de uma boia ou de outro dispositivo de controle, interrompe-se a saída do ar, admitindo-se ar comprimido no interior do tanque, através de válvulas especiais, ou diretamente de um compressor, em quantidade e pressão suficientes para promover a descarga do líquido (SOBRINHO E TSUTIYA, 1999).
Associação de Bombas
Em conjuntos elevatórios, existem situações nas quais apenas uma bomba não é capaz suprir as demandas do sistema e para esses casos é necessário associar bombas Martins e Gukovas (2010) acreditam a que as ampliações, a inexistência de bombas comerciais para grandes alturas manométricas ou vazões grandes (e não há no mercado comercial bombas capazes de atender a demanda pretendida ) consumam ser as principais razões que no levam a associação de bombas. As associações de bombas podem ocorrer tanto em série como em paralelo.
Instalando-se duas ou mais bombas em série, deve-se considerar a soma das alturas de elevação que caracterizam cada uma das bombas, admitindo-se a mesma vazão unitária. Já se as bombas trabalham em paralelo, admite-se a mesma altura manométrica, somando-se as vazões de unidades instaladas, desde que não seja alterada a altura manométrica (AZEVEDO NETTO, 1998).
ESTUDO DE CASO
O artigo “Aspectos importantes na utilização de bombas centrífugas em velocidade variável para a redução do consumo de energia” elaborado pelos autores André L. Amarante Mesquita, Lázaro J. S. da Silva, Otávio Abrahim Júnior, José Almir R. Pereira e Aldo Cezar P. Silva surge da prerrogativa da necessidade da aplicação conjuntos motor e bomba em sistemas de abastecimento de água e do consequente aumento das despesas com consumo de energia por esses equipamentos. 
Ao fazer uma revisão nos princípios básicos para a compreensão e utilização de sistema de bombeamento em velocidade variável, o trabalho visa avaliar o uso de inversores de frequência nas operações das bombas em velocidade variável, o que, além de possibilitar a redução do consumo de energia elétrica, facilita a adequação do volume bombeado com o de água demandado pela população.
Inicialmente os autores apresentam os princípios básicos da operação de bombas centrífugas em velocidade variável e logo em seguida explica, através de um esquema, como funciona a redução do consumo de energia em sistemas de bombeamento em velocidade variável mostrando como os fatores de velocidade, vazão, potência hidráulica, altura manométrica e pressão interferem no sistema e, sobretudo, enfatizando a implementação de inversores de frequência.
Para exemplificar o tema discutido o trabalho analisa dois casos especiais onde é possível a redução do consumo de energia elétrica: a operação de bombas em paralelo e a operação de bombas com controle de nível. Em ambos os casos, através da simulação de problemas e demonstração de cálculos, o autor consegue que é possível reduzir o consumo de energia nos conjuntos de elevatórias em sistemas de abastecimento de água. 
Para finalizar, os autores conclui que embora o uso de inversores de frequência sempre conduz à economia de energia é necessário avaliar os aspectos tecnológicos e econômicos para analisar a viabilidade do uso.
CONCLUSÃO
A utilização de estações elevatórias é bastante diversa no campo da engenharia e são indispensáveis em sistemas de abastecimento de água e esgotamento sanitário, por exemplo. Quando aplicados, as elevatórias podem atuar desde a extração de água em poços, passando por recuperação de cotas e até mesmo na reversão de capacidade de geração de hidrelétrica. Para suprir a grande diversidade de aplicações, as estações elevatórias são compostas por conjuntos de motor e bomba, que se moldam para atender às necessidades do sistema, sendo assim, existe uma variedade de bombas no mercado para atender a demanda requerida. Logo, conhecer as características e particularidades do sistema é essencial para a escolha da bomba correta que possibilite o funcionamento ideal da estação elevatória.
REFERÊNCIAS
ARAUJO, Fancidézio Meira de. Algumas características de uma estação elevatória de água. 2014. 24p. Disponível em: <http://dspace.bc.uepb.edu.br/jspui/bitstream/123456789/8291/1/PDF%20-%20Francid%C3%A9zio%20Meira%20de%20Ara%C3%BAjo.pdf>. Acesso em: 26 set. 2019.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12208: projeto de estações elevatórias de esgoto sanitário. Rio de Janeiro, 1989.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12214: projeto de sistema de bombeamento de água para abastecimento público. Rio de Janeiro, 1992.
AZEVEDO NETO, José Martiniano. Manual de Hidráulica. São Paulo, Edigar Blucher, 1998 8ª ed. 669p.
MARTINS, J Rodolfo S; GUKOVAS, Miguel. Guia de Estudo de Hidráulica básica: Condutos Forçados e Instalações de Recalque. 2010. Disponível em: < https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4211259/mod_resource/content/2/Hidr%C3%A1ulica%201.pdf >. Acesso em 30 set. 2019.
MESQUITA, André L. Amarante; SILVA, Lázaro J. S. da; JÚNIOR, Otávio Abrahim; PEREIRA, José Almir R. 2; SILVA, Aldo Cezar P. Aspectos importantes na utilização de bombas centrífugas em velocidade variável para a redução do consumo de energia. 2006. Disponível em: < http://www.lenhs.ct.ufpb.br/html/downloads/serea/6serea/TRABALHOS/trabalhoA%20(7).pdf >. Acesso em: 02 out. 2019. 
ReCESA. Rede Nacional de Capacitação e Extensão Tecnológica em Saneamento Ambiental. Abastecimento de Água: Operação e manutenção de estações elevatórias de água: Guia profissional em treinamento N1. Ministério das Cidades. Secretária Nacional de Saneamento. Belo Horizonte – MG. ReCESA, 2008. Disponível em: <http://nucase.desa.ufmg.br/wp-content/uploads/2013/07/ES-OMEE.1.pdf>. Acesso em: 29 set. 2019.
TSUTIYA, Milton. Abastecimento de Água. São Paulo. Escola Politécnica da USP. 3ª Edição, 2006.
TSUTIYA, Milton; SOBRINHO, Pedro A. Coleta e Transporte de Esgoto Sanitário. São Paulo, Escola Politécnica da USP. 2ª Edição. 1999.