ENQUADRAMENTO DE BOMBAS MOVIDAS À ENERGIA HIDRÁULICA EM PROPRIEDADES RURAIS: NASCENTE DO CÓRREGO DA CACHOEIRNHA, MUNICÍPIO DE ARCOS, CENTRO OESTE DE MINAS GERAIS.
Este projeto apresenta informações sobre os equipamentos hidráulicos mais utilizados em propriedades rurais, em virtude da preocupação com sistemas compatíveis ao desenvolvimento sustentável. Os equipamentos hidráulicos são equipamentos que utilizam energia limpa para o bombeamento de água. O projeto descreve o princípio de funcionamento de cada aparelho hidráulico, as necessidades hídricas para a instalação destes, os vários tipos de aparelhos brasileiros, tabelas e fórmulas utilizadas no dimensionamento dos sistemas, demonstra a aplicação dos recursos na revisão bibliográfica, em curso de água para abastecimento em uma propriedade rural, bem como os aparatos utilizados para a instalação destes, através de recursos computacionais, de medições em campo, da utilização de carta topográfica, métodos estatísticos, e do conhecimento das características hídricas necessárias a instalação dos aparelhos. Os equipamentos mais utilizados, os requisitos necessários a instalação destes, a metodologia adequada para a estimativa de vazão mínima, a estimativa de água consumida na propriedade e as possíveis perdas de eficiência são abordadas na conclusão com recomendações técnicas adequadas.
Palavras-chave: Equipamentos hidráulicos. Requisitos de instalação. Vazão em cursos d?água.
1.0 INTRODUÇÃO
Atualmente, o mundo volta as suas atenções para a questão da utilização dos recursos hídricos e da utilização da energia de forma sustentável. Em zonas rurais é comum o bombeamento de água para a utilização no dia-a-dia, a qual é feita em pequenos cursos de água para consumo humano ou animal, para higiene, agricultura e geração de energia elétrica. Para tal, é necessário que a água seja captada e bombeada até os reservatórios de utilização por bombas que são acionadas pela energia elétrica, térmica ou hidráulica. Quando um produtor rural possui em seu terreno um curso de água capaz de movimentar uma roda de água ou acionar um carneiro hidráulico, este pode ser utilizado como fonte de energia motora, como se fazia a mais de 2000 a.C pelos Persas.
A utilização de equipamentos hidráulicos para bombeamento de água além de ser considerada energia limpa, sem emissão de poluentes ou gasto com energia elétrica, em conjunto com a paisagem natural é considerado, muitas das vezes harmônico, propiciando bela paisagem. Para tal harmonia, é necessário estabelecer condições para o uso destes aparelhos. A utilização de carneiro e roda de água tem sido cada vez mais constante, no entanto, nem todas as propriedades podem utilizar deste benefício devido a fatores limitantes, pois podem não apresentar condições mínimas para prover um funcionamento adequado destes equipamentos, seja por falta de desnível topográfico ou por vazão excessivamente pequena.
As conclusões geradas no trabalho podem ser de bastante valia para futuros projetos nessa área, mas para isso, é preciso se entender o assunto como um todo, compreender o funcionamento dos aparelhos, as estimativas usadas quanto à vazão para captação e, principalmente, a necessidade de abastecimento de uma propriedade rural.
1.1 Problema
Para a instalação dos equipamentos hidráulicos, quais requisitos necessários, e o curso de água existente no local pode abastecer a propriedade e acionar o equipamento hidráulico nos períodos de estiagem, destes quais são os mais utilizados em propriedades rurais , são realmente equipamentos movidos a energia hidráulica.
1.2 Justificativa
A utilização de equipamentos hidráulicos para bombeamento de água tem sido cada vez mais constante por serem considerados equipamentos limpos e de utilizarem energia renovável. No entanto, nem todas as propriedades podem utilizar deste benefício devido a fatores limitantes, como o curso de água que abastece a propriedade. Portanto é necessário identificar na literatura já existente os principais requisitos para utilização destes equipamentos.
Uma vez identificados os requisitos é preciso averiguar em campo como estes requisitos são aplicados dentro de um curso de água. O Córrego da Cachoeirinha foi escolhido em virtude de sua localização estratégica e de seu tamanho no município de Arcos. A identificação dos requisitos em literatura, bem como o levantamento em campo são atividades essências a qualquer engenheiro ambiental.
2.0 OBJETIVOS
2.1 Objetivo geral:
Listar as necessidades gerais para implementação de equipamentos hidráulicos movidos pela energia da água para captações em propriedades rurais.
2.2 Objetivo secundário:
1- Identificar, através de revisão bibliográfica, os tipos de equipamentos hidráulicos mais utilizados;
2- Verificar as condições hídricas para a implementação destes aparelhos;
3- Avaliar as condições para implementação dos aparelhos em campo no córrego da cachoeirinha.
4- Vantagens econômicas do uso destes equipamentos.
4.0 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
4.1 Energia e Equipamentos Hidráulicos.
O transporte de água para abastecimento é um problema antigo que envolve o gasto de energia (BETARELLO, 2002). No planeta ocorre diariamente a trans- formação de uma forma de energia em outra, sendo esta enquadrada genericamente em vários tipos: térmica, mecânica, elétrica e atômica. A energia mecânica pode se manifestar de várias formas, sendo a energia potencial uma delas a qual, pode ser transformada em energia cinética devido ao movimento do corpo em função da massa e velocidade do mesmo. A energia potencial é a aquela armazenada em determinada posição com interferência da gravidade. (BRAGA et al; 2005).
As quedas de água e os pequenos cursos, por apresentarem grande desnível e, consequentemente, energia potencial, são considerados fontes de energia renováveis e baratas. (W.FOX et al; 2006). Podem ser fonte de alimentação para bombas hidráulicas de pistão alternativo, que por usarem energia cinética para serem acionadas, segundo o trabalho realizado por Stano Júnior (2007), podem se beneficiar da disponibilidade de energia existente nos pequenos cursos de água.
A energia aproveitada pelos equipamentos hidráulicos, de acordo com o teorema de Bernoulli (FIG.1) é a energia de posição (AZEVEDO NETTO et al; 1998).
FIGURA 1-Equação de Bernoulli
FONTE: Azevedo Netto et al;(1998)
Outra forma de utilizar esta energia potencial dos cursos de água é através de um conduto, fechando em intervalos constantes a entrada de água, forçando o aprisionamento desta no conduto a uma pressão tal que ocasione sua expulsão , este principio é chamado de golpe de aríete, descrito por AZEVEDO NETTO et al; (1998).
As máquinas hidráulicas que utilizam energia potencial, foram as primeiras a serem utilizadas na história da humanidade e o carneiro hidráulico, um dos aparelhos hidráulicos, foi inventado por Jackes E Mongolfier. (STANO JÚNIOR, 2007). Em seu trabalho, Abaeté e Botrel (2002) definem que o uso de carneiro hidráulico é amplamente empregado em propriedades rurais onde a energia elétrica é de difícil obtenção, ideal para uso em chácaras, sítios e fazendas. Abaeté e Botrel (2002), citando Horne e Newmam (2000)¹, esclarecem que as vantagens do uso do carneiro hidráulico está no baixo preço para instalação, na sua capacidade ilimitada de funcionamento e a não necessidade de proteção contra as condições climáticas para o seu perfeito funcionamento. A fonte de alimentação deste aparelho é a altura de queda da água, que transforma a energia potencial em energia cinética. A altura de queda é produzida por um desnível já existente no terreno ou por uma barragem artificial.
O aparelho hidráulico pioneiro a utilizar a energia da água para bombeamento foi a roda d?água (BETARELLO, 2002), que tem registros de mais de 2000 anos (STANO JÙNIOR, 2007), sendo que, no século XVI, surgiu o conjunto roda d?água e bomba para abastecimento de cidades na Alemanha e, no mesmo século, a primeira bomba de pistão acoplada a uma roda d?água foi utilizada para abastecer a cidade de Londres (BETARELLO, 2002 citando Yassuda, 1966²).
As vantagens da roda d?água de acordo com o site da Unesp³ sobre energias
renováveis, estas podem ser instaladas em locais de pequeno desnível, sua manutenção é barata e a água para acionamento não precisa ser de boa qualidade.
________________
1- HORNE, B.; NEWMAN, C. Hydraulic ram. The Centre for Alternative Technology.http://www.cat.org.uk/information/ tipsheets/hydram.html. (29 Mar. 2000).
2- YASSUDA, Eduardo R., Chiara José, Nogami Paulo S. - Bombas e Estações Elevatórias Utilizadas em Abastecimento de Água, Universidade de São Paulo, Usp, Faculdade de Higiene e Saúde Pública, 1966.
3-http://www.feg.unesp.br/~energiasrenovaveis/rodadagua.htm
4.2 Características de Funcionamento dos Aparelhos
4.2.1 Carneiro Hidráulico
O princípio de funcionamento do carneiro hidráulico está baseado no golpe de
aríete, já descrito na secção energia e equipamentos hidráulicos. O carneiro hidráulico possui necessidades específicas de instalação, podendo os aparelhos brasileiros fornecerem vazões de 5 até 800 litros/hora. (AZEVEDO NETTO et al; 1998).
O custo de aquisição ou montagem deste equipamento é relativamente baixo, podendo utilizar o aparelho durante 24 horas por dia, não dependendo de fontes externas de energia (CARARO et al 2007).
Abaete e Botrel (2002), citando Dacker (1970) ¹, descrevem que a constituição mecânica de um carneiro hidráulico é de peças fixas e móveis. As peças fixas são denominadas base, campânulo e castelo, em quanto as peças móveis são válvula de escape e válvula de recalque (FIG.2) .
FIGURA 2-Partes de um carneiro hidráulico
FONTE: Abaeté e Botrel,2002.
O campânulo é uma peça oca , em formato oval responsável pelo aumento de pressão no golpe de aríete, este a medida que se enche de água, obriga ao ar aprisionado a diminuir seu volume e consequentemente aumentar a pressão até, seja insuportável e obrigue a água a sair pela válvula de escape.
________________
1- DAKER, A. A água na agricultura: captação, elevação e melhoramento da água. 3.ed. Rio de Janeiro: Freitas Bastos,
O funcionamento do aparelho, de acordo com Abaete e Botrel (2002), citando Dacker (1970) ¹ ,é:
1º-abertura da válvula de aceitação da água;
2º-fechamento brusco da válvula de abertura pelo seu peso, após a passagem da água;
3º-abertura da válvula de recalque, após o golpe de aríete;
4°-fechamento da válvula de recalque, após a água ser expulsa pela pressão do ar comprimido existente no campânulo.
5º - repetição do ciclo, para a água ganhar pressão e ser recalcada. O ciclo pode se repetir de 20 a 100 vezes por minuto, de acordo com Abaete e Botrel (2002), citando Jennings¹ (1996).
As características de funcionamento de um carneiro Hidráulico de acordo com
Abete & C Butrel (2002) dependem de fatores como a altura de recalque, desnível entre o reservatório de alimentação e o carneiro hidráulico, comprimento da tubulação e o diâmetro destas, quantidade de água desperdiçada, vazão, batidas por minuto e rendimento.
A instalação do carneiro hidráulico deve ser em nível inferior ao do manancial de abastecimento e o rendimento do aparelho é obtido pelo quociente altura de desnível pela altura de elevação (h/H), devendo a encanação de alimentação do aparelho, ser retilínea e ter diâmetro maior que a encanação de elevação, normalmente apresentando rendimentos inferiores a 60 %,segundo Azevedo Netto et al ;(1998).
O cálculo do aparelho a ser usado e da tubulação de sucção e recalque, segundo Azevedo Netto et al ;(1998), leva em consideração o rendimento obtido, a vazão que se deseja elevar em minutos e as alturas de recalque e de alimentação (FIG.3).
________________
1- JENNINGS, G.D. Hydraulic ram pumps. s.l: North Carolina Cooperative Extension Service, 1996. (EBAE 161-92).
FIGURA 3 - Equação de cálculo do aparelho
FONTE: Azevedo Netto et al; (1998)
Stano Júnior (2007) revela que após ser, calculada a vazão mínima de operação é possível se determinar o aparelho desejado, indicado na (TAB.1).
TABELA 1? Tipo de aparelho conforme eficiência
TIPOS DE APARELHOS
N° APARELHOS CANOS LITROS DE ÁGUA OCUPADA POR MINUTO LITROS DE ÁGUA ELEVADA EM 1 HORA (eficiência)
Para a eficiência inversa (H/h)
CARGA DESCARGA 6/1 8/1 10/1 12/1
2 ¾" 3/8" 5 32 20 12 -
7 44 81 18 -
3 1" 1/2" 7 44 28 18 11
10 64 40 25 16
15 95 60 38 24
4 1 1/2" 3/4" 15 95 60 38 24
20 128 80 50 31
25 160 100 63 40
5 2" 1" 25 160 100 63 40
35 225 140 88 55
45 285 180 112 72
6 2 1/2" 1 1/4" 45 285 180 112 72
60 280 240 150 95
75 480 300 186 120
7 3" 1 1/2" 75 480 300 186 120
100 640 400 250 160
125 800 500 330 200
FONTE: Azevedo Netto et al; (1998)
4.2.2 Rodas d?água
As rodas d?água, segundo Stano Júnior (2007), utilizam a força do fluxo de água para girar e adquirir potência para movimentar os pistões da bomba. Betarello (2002) define que a bomba utilizada em conjunto com a roda é chamada de bomba de pistão alternativo. O funcionamento da bomba, ainda segundo Betarello (2002), começa com a admissão do fluído no ato de expansão e a compressão do fluído no ato de contração. O pistão é articulado ao virabrequinho e uma biela, que transformam o movimento de rotação da roda em compreensão e expansão do pistão.
Stano Júnior (2007) afirma que o acionamento da roda d?água é dado pelo torque, o qual é definido, segundo Hebler (2004) como o momento de força que tende a torcer o objeto em torno de seu eixo, sendo o torque calculado pelo comprimento do eixo, multiplicada a intensidade da força. A força aplicada para gerar o torque , segundo Stano Júnior (2007), é a vazão de acionamento da roda e a energia potencial oferecida pelo desnível de captação até o aparelho.
A potência da roda d?água, segundo Stano Júnior (2007), é dada pela fórmula apresentada na FIG.4 .
FIGURA 4- Cálculo da potência da Roda
FONTE:Stano Júnior ,2007.
A velocidade da roda é tabelada (TAB.2) conforme a quantidade que a bomba pode bombear e a vazão desejada, normalmente considera-se a rotação de 20 a 30rpm como adequada (ROCHEFER, 2009).
TABELA 2- Velocidade de rotação e produção litros/dia ?Marca Rochefer.
Série Modelo 10 rpm 20 rpm 30 rpm 40 rpm Rotação máxima Produção máxima
Mini-bom. PB-32 1.000 2.100 3.200 4.300 60 6.500
A PB-38 2.400 4.900 7.500 10.000 50 12.300
PB-45 3.500 7.000 10.500 14.000 50 17.500
PB-51 4.500 9.000 13.500 18.000 50 22.500
B PB-57 8.500 17.000 25.500 34.000 45 38.300
PB-70 12.900 25.500 38.500 51.500 40 51.500
C PB-76 17.800 35.500 53.500 40 71.000
PB-89 24.500 49.000 73.500 40 71.000
PB-102 32.300 64.500 96.000 32 103.000
FONTE: Rochefer,2009.
Atualmente existem três sistemas de acionamento da roda: o primeiro, a água cai sobre a roda; no segundo a água passa sob a roda e no terceiro, chamado de conjunto bomba sobre flutuadores, utilizado em rios e ribeirões. O mais comum é o primeiro sistema de acionamento, representado na FIG.5. (UNESP, 2009).
FIGURA 5- Composição de uma roda d? água acionada por cima
FONTE: Acervo Próprio.
A instalação do conjunto roda de água e bomba obedece a observação de
cinco fatores considerados pela Rochefer, uma das empresas fabricantes do conjunto;sendo eles:
1-Distância ou comprimento da tubulação;
2-Desnível (altura de bombeamento);
3-Vazão para acionamento;
4-Altura de queda para instalação da roda e;
5- Consumo diário de água em litros.
O diâmetro da roda de água e a bomba utilizada são dimensionados, conforme dados da TAB. 3 .
TABELA 3- Características Bombas de rodas de água ? Rochefer.
Série Modelo D saída Recalque (M) Diâmetro da roda x largura
Mini- bomba PB-32 1/2" 250 1.10x0.13
A PB-38 3/4" 250 1.37x0,12
PB-45 180
PB-51 140
B PB-57 1" 220 1.90x0.22
PB-70 150
C PB-76 1 1/4" 150 2.20x 0.36
PB-89 110
PB-102 80
FONTE: Rochefer,2009.
4.3 Vazão e a necessidade de atendimento dos aparelhos hidráulicos.
Stano Júnior (2007) descreve que um dos parâmetros para se instalar um equipamento hidráulico é determinar a potência hidráulica disponível e para isso, é
necessário determinar a vazão do curso de água, principalmente nos meses de menor vazão. (AZEVEDO NETTO et al, 1998).
A vazão dos cursos de água é formada a partir das precipitações que caem diretamente sobre o solo e de contribuições do lençol de água subterrâneo (PINTO et al 1975). Segundo Nimer (1979), na região sudeste do país a precipitação máxima de chuva se verifica nos meses de verão, e a mínima nos meses de inverno, havendo cerca de 4 meses secos sendo os mais comuns de maio a setembro. Algumas estações secas podem extravasar o inverno e prolongar-se até o início da primavera. Na região sudeste, os registros das menores vazões dos corpos de água se concentram nos meses de inverno, pois as chuvas inconstantes nesse período contribuem para a não recarga do lençol freático, e consequentemente para o déficit no nível dos corpos de água.
Para se medir a vazão nos meses mais secos, usa-se o método dos flutuadores de acordo com Chevallier (2000), também conhecido como medida da vazão pela velocidade do fluxo de água, é estimada pelo conhecimento da secção transversal do canal, da velocidade do fluído em cada ponto da secção e do comprimento percorrido pela partícula de fluído no canal. A partícula pode ser representada por um flutuador. Após coleta, o tratamento estatístico dos dados é feito pela média aritmética, que representa a tendência central de determinados valores, sendo muito importante na determinação de valores médios, e pela variância e desvio padrão em torno de uma amostra, que revelam a variabilidade e discrepância dos dados em torno da média calculada (MONTGOMERY et al; 2004). A agência nacional das Águas monitora, com estações fluviométricas, os níveis dos principais rios do país que tenham importância para a navegação e a geração de energia hidroelétrica, no entanto, os cursos de água de menor porte e expressão regional não possuem dados quanto a média histórica de seus níveis, por este motivo, a dificuldade de obtenção de dados hidrológicos em uma dada bacia leva à transferência de valores de outra bacia, maior e com as mesmas características físicas, para a bacia em estudo, sendo geralmente a bacia em estudo integrada a bacia dos dados de origem. Este método é chamado de regionalização de vazões (LANNA, 2000). A vazão medida no período de menor nível dos rios e que é usada em estudos hidrológicos recebe o nome de vazão mínima de sete dias de Duração,por dez anos de recorrência (Q7, 10), (Minas Gerais, 2009).
O cálculo da vazão mínima que tem duração de sete dias e com período de retorno de dez anos leva em consideração a regionalização dos dados a qual segundo Lanna (2000), pode ser feita através de funções estatísticas baseadas nos dados fluviométricos, precipitação, clima, relevo e substrato rochoso, de bacias com as mesmas características físicas e climáticas da bacia em estudo.
A vazão mínima se ajusta melhor a distribuição estatística denominada de Weibull. A Equação de regressão, Fig 6, obtida dos fatores citados acima pode ser aplicada a regiões que possuam características físicas homogêneas, localizadas através de mapas que contenham estas informações, como fator de correção. A vazão que se deseja pode ser obtida apenas com a entrada de dados como área da bacia, a vazão fornecida pelos solos do estado e os fatores de correção correspondentes aos dados da bacia de origem, nas equações de regionalização que identificam cada região homogênea (LANNA, 2000).
O Instituto de Gestão das Águas de Minas Gerais (Minas Gerais, 2009) estabelece que a metodologia para a regionalização de vazões deve ser baseada nos estudos realizados pela Companhia de Saneamento Básico de Minas Gerais, (COPASA).
O método proposto, conciste na multiplicação da área da bacia pelo valor de rendimento especifico da região onde está cituado o local de estudo . Logo depois o valor obtido é novamento multiplicado pelo valor da equação de regressão estabelecendo-se o valor de , (Q7, 10), lembrando que T pode ser dado como 1 para simplificação da equação de regressão. .
O órgão também estabelece que a vazão outorgavél seja baseada em 30 % da vazão mínima de sete dias de duração com período de retorno de dez anos, conforme a área da bacia a montante do ponto de captação.
FIURA 6- Equação de Regressão, vazão mínima, método de regionalização de vazão.
FONTE: Copasa ( 2009) .
5.0 MATERIAL E MÉTODOS
5.1 Tipo de pesquisa
A identificação e conhecimento dos aparelhos hidráulicos mais utilizados em pequenas propriedades rurais foram feitos durante a revisão bibliográfica, realizando-se uma descrição mecânica de funcionamento de cada aparelho. Identificadas ás condições de funcionamento mecânico, foi realizado um levantamento para identificar as condições de terreno e vazão do curso de água em que cada um destes aparelhos possam ser instalados.
O tipo de pesquisa deste trabalho é denominado de estudo de caso pó Gil (2002), consistindo em uma pesquisa instrumental para auxiliar no conhecimento de equipamentos hidráulicos. Também existem inclusas no trabalho pesquisas de levantamento para a determinação de variáveis.
5.2 Objeto de Pesquisa
O estudo de caso foi realizado na nascente do Córrego da Cachoeirinha, Bacia do Rio Arcos, município de Arcos. O Córrego foi escolhido em virtude de sua localização mais próxima da cidade e pela existência de equipamentos hidráulicos instalados. A análise e identificação dos pontos necessários à instalação de equipamentos hidráulicos foram realizadas seguindo alguns parâmetros, citados por Stano Júnior (2007):
1- Averiguação da necessidade de água ao longo de um dia através dos reservatórios de armazenamento.
2- Medição da vazão do canal de alimentação em período de estiagem, por meio de flutuador, cronômetro e análise estatística dos tempos coletados, conforme Chevallier (2000).
O esboço da área georeferenciada, outro fator a ser observado para melhor compreensão do trabalho realizado foi traçado no programa GPS TRAD MAKER. A vistoria preliminar dos locais propícios a instalação e obtenção de dados como desnível e distância entre os pontos foi realizada com auxílio de G.P.S e trena métrica. Um importante fator observado foi a averiguação da vazão mínima do córrego ao longo dos anos e o limite máximo de captação permitido pelo órgão governamental, através do método de regionalizações de vazões estabelecido pela COPASA. Para isso, foi preciso o cálculo da área da bacia até o ponto de captação de água pela carta topográfica do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), folha SF-23-C-I-4, na escala 1:50.000, para identificação da tipologia da bacia e também a utilização de dados tabelados na cartilha da Copasa para utilização na equação de regressão , para posterior cruzamento de dados com os mapas de rendimento especifico de vazões para as bacias do estado de Minas Gerais, conforme o método estabelecido.
A última etapa foi o cruzamento de dados, tais como condições topográficas, vazão, localização das residências e distância para obtenção do tipo de aparelho utilizado de acordo com as tabelas 1, 2 e 3 da revisão bibliográfica.
6.0 RESULTADOS E DISCUSSÕES
O levantamento da propriedade averiguou as posições, alturas e coordenadas geográficas das casas e aparelhos instalados no córrego. A altura entre o ponto de captação e os aparelhos apresentou um desnível de 2,20 metros, aferidos com o auxílio da trena métrica. Entre os aparelhos e seus respectivos reservatórios o desnível foi aferido com o GPS, calibrando-se o seu altímetro de acordo com a altitude conhecida do lugar. O carneiro hidráulico está a 13 metros de desnível do reservatório, enquanto a roda d?água estava à 25 metros de desnível.
A distância da tubulação foi medida com auxílio de programa de GPS. A roda d?água estava à distância de 450 metros, enquanto para o carneiro hidráulico, 100 metros de distância dos reservatórios de água, (FIG.6), conforme orientações de Stano Júnior (2007) e Azevedo Netto et al; (1998).
6.1 Vazão para acionamento
O conhecimento da quantidade de água disponível para acionamento do aparelho, e a vazão permitida para captação é umas das exigências para instalação de qualquer equipamento hidráulico. No Córrego da Cachoeirinha foi estimada a vazão do curso de água no período de estiagem pelo método da regionalização de vazões, estabelecido pelo IGAM.
Na visita aferiu-se a vazão do canal formado pelo barramento de água que vai para o carneiro hidráulico e a roda d?água. Este possui a vazão constante durante todo o ano, devido ao barramento do curso de água. O canal possui largura, profundidade e comprimento de, respectivamente 0,22; 0,095 e 0,54 metros.
A velocidade do canal foi determinada medindo-se o tempo que um flutuador leva para percorrer o comprimento do canal.(TAB.4)
FIURA 7- Mapa traçado com o GPS.
FONTE: Acervo próprio: GPS Trad Maker.
Na TAB. 4, são apresentadas as amostras colhidas
TABELA 4 - Tempos canal.
Tempo Canal (seg.)
5,77 8,53 10,83
9,42 8,27 4,56
9,41 6,17 7,79
9,36 14,3 10,31
11,97 8,95 8,38
9,73 12,41 5,65
10,27 11,96 12,3
11,67 6,63 13,5
10,59 10,23 4,68
8,74 9,43 5,8
As amostras coletadas foram analisadas previamente, escolhendo-se apenas 20 medidas por amostragem, descartando as amostras com maior variação (TAB 5).
TABELA 5 - Tempos selecionados no Canal.
Tempo (seg.)
9,42 8,95
9,41 8,27
9,36 8,53
9,73 8,38
9,11 8,74
10,27 11,97
10,59 11,67
10,23 7,79
10,83 12,41
10,31 6,63
Análise estatística das amostras selecionadas para o canal de distribuição, conforme Montgomery et al (2004), (TAB. 6).
TABELA 6 - Medidas estatísticas, canal.
Medição
Media(S) 9,63
(X- XI)² 39,6672
s^2 2,087747
S 1,444904
cv (%) 15,00419
A vazão estimada do canal pelo produto do volume e da média de tempo foi de 0,00117m³/s, o que equivale a aproximadamente 1,17 l/s.
A vazão mínima média de referencia (Q7, 10) utilizada em um período de retorno de 10 anos para o córrego, em questão, baseado no trabalho publicado pela COPASA, foi calculada sabendo que a área da bacia de acordo com a carta topográfica do IBGE SF-23-C-I-4, foi de 0,95 km², (FIG.7).
FIGURA 8- Mapa da Bacia.
FONTE: Cartas do Brasil SF-23-C-I-4. Instituto Brasileiro de Geografia e estatística.
Seguindo metodologia proposta pela COPASA, identificou-se a tipologia da bacia, tipologia 221, bacia do alto São Francisco com características de precipitação, declive e formação geológicas semelhantes a da bacia do córrego em estudo. Pelo mapa de rendimento específico RE(10,m mínimo), identificou-se que a região tem rendimento em torno de 3,0 l/s/Km². Com estes dados obteve-se a Q10, m (vazão mínima de duração mensal) que foi de 2,85 l/s. Multiplicando-se a Q10, m pelo fator de proporção, obtido pela equação de regressão onde os valores são tabelados pela tipologia da bacia, obtem-se a vazão mínima de Q7, 10 (sete dias de duração por 10 anos de recorrência).
A vazão mínima média para 10 anos fica em torno de 2,6 l/s para a área de 0,95 km² da bacia do córrego. Os aparelhos, neste ponto do córrego da cachoeirinha, funcionam com uma vazão abaixo de 0,78 l/s, que são os 30 % da demanda permitida para a outorga, segundo o IGAM.
6.2 Consumo de Água x Vazão Disponível
O consumo de água da propriedade influencia na escolha do aparelho a ser implantado, bem como o tipo da bomba e o encanamento utilizado. É necessário quantificar o consumo diário gasto na fazenda, o que pode ser feito por meio de tabelas ou medições diretas. Na propriedade em questão, do exemplo demonstrado, o consumo de água gira em torno de 1.000 l/dia, que é a capacidade do reservatório para onde o carneiro hidráulico recalca, o que equivale 0,69 l/min ou 0,012 l/s, vazão que é utilizada no dimensionamento do carneiro, vazão a elevar. O reservatório para onde a roda d?água recalca tem capacidade de 200 litros, o que equivale a 0,14 l/min e 0,0024 l/s. Somando-se as vazões da roda d?água e do carneiro hidráulico obtém-se uma vazão total de 0,014 l/s, vazão dentro dos 0,78 l/s permitidos para a outorga conforme o IGAM. Desconsidera-se a vazão de acionamento da roda d?água, pois esta voltará a ser integrada ao córrego não sendo utilizada para irrigação e nem para consumo animal ou humano.
6.3 Alturas de Instalação dos Aparelhos
O desnível entre o ponto de capitação e o local de instalação do aparelho hidráulico é um fator considerável no dimensionamento destes aparelhos. Para existir este desnível e uma condição favorável de captação é necessário fazer um barramento no curso de água (FIG. 8), ou existir um poço a nível superior do aparelho.
FIGURA 9- Barramento no córrego da cachoeirinha.
FONTE: Acervo próprio.
No Córrego da Cachoeirinha existe um pequeno barramento, fazendo com que o volume de água disponível para captação seja constante. Além deste fator, o barramento propicia a formação de um canal secundário, o qual irá alimentar o carneiro e a roda d?água em um nível maior do que os aparelhos estão instalados.
Nas rodas d?água com admissão por cima, a altura de queda está intimamente ligada a velocidade de giro da roda e o torque aplicado à roda, o qual influencia a potência mecânica da roda e o tipo de bomba pistão acoplada à mesma. Este diferença de nível, 2,20 metros, oferece uma energia potencial, considerando vazão de acionamento de 1,0 l/s e massa equivalente a 1,0 kg. A roda possui um raio de 0,55 metros, considerando-se a energia potencial como a força aplicada para calculo do torque, o torque equivale a 5,5 newton.metros . E considerando que sua velocidade é de 20 rpm, a potência da roda está em torno de 11,51 W .
6.4 Altura de recalque
A altura de recalque é um fator a ser considerado em conjunto com a altura de acionamento dos aparelhos, para o correto dimensionamento. Sendo que, para carneiros hidráulicos, o coeficiente da altura de recalque pela altura de alimentação é o rendimento do aparelho, conforme TAB. 1. O carneiro instalado no exemplo estudado tem uma eficiência em torno de 20% (h/H). Já o desnível entre a caixa de água e o aparelho é de 13 metros, e o desnível entre canal e o carneiro é de 2,20m (FIG. 9).
A altura de recalque para rodas d?água, juntamente com o comprimento da tubulação, influencia a escolha da bomba necessária ao conjunto bomba-roda d?- água, pois a altura de recalque da bomba pode variar de 25 metros, 230 metros ou até mais, conforme sua marca (TAB. 3)
FIGURA 10-Medidas de dimensionamento dos aparelhos.
FONTE: Acervo próprio
6.5 Dimensionamento dos Aparelhos Hidráulicos
6.5.1 Carneiro Hidráulico
É preciso se determinar a vazão mínima de funcionamento para se obter o aparelho correto. Considerando-se a vazão necessária para se encher um reservatório de 1000 litros da propriedade do Córrego da Cachoeirinha, em l/min, temos uma vazão de 0,7 L/min. Sabe-se que a relação H/h é de 6:1 e que o rendimento do aparelho é de 20 %. Considerando-se o cálculo necessário para se obter a vazão mínima de funcionamento e suas variáveis, (FIG. 3), obteve-se um valor de 10 l/min para a vazão mínima de funcionamento. Isto quer dizer que o carneiro hidráulico deve ter uma vazão mínima de 10 litros por minuto para operar. Os dados obtidos comparados à TAB. 1 confirmam o enquadramento do carneiro em tamanho 3 com tubo de entrada de 1? e de saída de ½?,que é exatamente o aparelho observado na propriedade.
6.5.2 Roda d? Água
O conjunto roda d?água e bomba é dimensionado pela vazão necessária a ser recalcada, diferença de nível e altura de recalque.
No Córrego da Cachoeirinha, a roda usada de determinada empresa foi estipulada segundo tabela da empresa (TAB. 3), na qual a bomba recomendada foi a PB-32, com uma vazão de acionamento 1,4 l/s e rotação estimada de 20 RPM, embora o canal de captação possa oferecer apenas 1,17 l/s dos quais poderão ser utilizados apenas 1l/s para acionamento, pois o restante é captado de acordo com o limite para a outorga estabelecido pelo IGAM. A PB-32 recalca água a um desnível de 250 metros e necessita de uma roda de acionamento na ordem de 1,10 metros de diâmetro, sendo que pode bombear água por um encanamento em linha reta a 10.000 metros (TAB. 2). No Córrego da Cachoeirinha, o desnível está em torno de 25 metros entre o ponto de captação e o reservatório de abastecimento, e o comprimento do encanamento na ordem de 450 metros, fator que explica seu funcionamento com uma vazão de acionamento abaixo do recomendado.
6.6 Diâmetros e comprimento encanamento
A escolha do tipo de carneiro hidráulico utilizado e do tipo do conjunto bomba d?água e roda d?água necessários para atender a demanda da propriedade são necessários para estipular a perda de carga decorrente do comprimento total da encanação de recalque e sucção. Para bombas de roda d?água, estes valores já estão tabelados e embutidos nas tabelas das empresas responsáveis pela fabricação do conjunto. A literatura estudada e o exemplo revelam que os diâmetros de encanação de recalque e sucção seguem o diâmetro de entrada e saída do aparelho, variando apenas o tipo do material do encanamento, sendo muito comum em carneiros hidráulicos a utilização de tubos de PVC, considerados mais eficientes.
No carneiro hidráulico observado na propriedade, o diâmetro da tubulação de sucção e de recalque é 1" e 1/2", respctivamente. A bomba de pistão da roda d?água possui diâmetros de sucção e de recalque de 1/2" e 1 ½?, respectivamente, como pode ser visualizado na FIG. 10.
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FIGURA 11-Bomba de roda d?água e encanamento de entrada e saída.
FONTE: Acervo próprio.
6.7 Economia Financeira
Uma bomba acionada por energia elétrica, funcionando 1 hora por dia a uma vazão de recalque de 0,00033 m³/s, eficiência de 85%, considerando as variáveis de altura de sucção e altura de recalque iguais a do carneiro hidráulico (15,2 metros), e vazão a se bombear, iguais a soma do carneiro hidráulico e roda d?água do córrego da cachoeirinha (1200 l/ dia), consome, por dia, cerca de 213 KW .
O preço do kW/h segundo a Companhia de energia de Minas (CEMIG) é de R$ 0,585 reais.
Caso a bomba elétrica funcionasse com a mesma vazão, mas por um período de 10 min./dia, o gasto ao final do dia seria de 1,482 KW, o que equivale a R$ 0,87 reais por dia, totalizando cerca de R$ 26,00 ao final do mês. O aumento da vazão a ser recalcada pela bomba elétrica diminui o tempo de enchimento, porém aumenta a potência da bomba e, assim, a quantidade de energia gasta.
No período de 1 ano com um gasto de R$ 26,00 por mês com a bomba elétrica economiza-se, com o uso do carneiro hidráulico e da roda d? água, cerca de R$ 312,00 reais. Como a bomba elétrica não fica ligada somente 10 minutos ao dia, podendo variar conforme o consumo durante o mês, e também durante o ano devido aos períodos de seca, o valor de R$ 3120, 00 reais por ano deverá flutuar na faixa de R$ 400,00.
7.0 CONCLUSÕES
Os aparelhos mais utilizados nas propriedades rurais são as bombas de pistão acionada por roda d?água e o carneiro hidráulico, que são equipamentos que funcionam dia e noite sem o gasto de energia elétrica.
A disponibilidade de água que o corpo hídrico pode oferecer é um dos parâmetros a se observar no ato da instalação, podendo a vazão de estiagem ser estimada pelo método de regionalização de vazões, mas caso não seja possível levantar este tipo de estudo, pode-se pesquisar com moradores da região os níveis mínimos que determinado corpo de água assumiu no decorrer dos anos, estimando a vazão do córrego.
O consumo de água da propriedade deve ser levantado e comparado à disponibilidade de água do corpo hídrico. Outra exigência fundamental a observar, são as alturas de recalque e o desnível necessário para acionamento do aparelho.
A escolha do aparelho, carneiro hidráulico e, ou roda d?água, deve ser feita observando as características de cada um, conforme especificações do fabricante e a necessidade de água que existe na propriedade, como também as condições ambientais (relevo, disponibilidade hídrica).
A correta instalação dos aparelhos juntamente com a avaliação do consumo de água da propriedade e disponibilidade hídrica do curso favorece o perfeito funcionamento do sistema e o abastecimento da propriedade, sem grandes comprometimentos ao meio ambiente, conferindo perfeita integração entre natureza e tecnologia.
A vantagem do uso de carneiro hidráulico e roda d?água, apesar do tempo gasto para se recalcar a água, está na não utilização de energia elétrica e na redução de despesas da propriedade.
O dinheiro gasto com o pagamento da energia elétrica poderá ser reaproveitado no gasto com tratos de animais ou na melhoria do conforto da família.
8.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Autor: Jonas Oliveira Rezende
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