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UNIVERSIDADE PARANAENSE – UNIPAR CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

UMUARAMA/PR

DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO DE UM SISTEMA DE AQUAPONIA

HYDRAULIC DIMENSIONING OF A SYSTEM OF AQUAPONIA

Diego Rodrigues Martins, [email protected]

Tálisson Cleiton Freire de Souza, [email protected]

Alexandre de Castro Salvestro, [email protected]

Acadêmico de Engenharia Mecânica, Universidade Paranaense

Acadêmico de Engenharia Mecânica, Universidade Paranaense Professor Dr. Engenheiro Agrícola, Universidade Paranaense

Resumo: Levando em consideração a necessidade e escassez da água, a busca por

reaproveitamento e fontes alternativas aumentou, estudos mostram como o uso consciente desse

recurso hídrico tem aumentado a qualidade de vida da população. Seu uso está presente em todos

os segmentos, bem como na piscicultura, este trabalho, busca apresentar uma forma alternativa de

dimensionar um sistema hidráulico para plantio de hortaliças e criação de peixes, com o objetivo

de reduzir os impactos ambientais e desperdício de recursos hídricos, contudo, o projeto

apresentou um baixo custo de instalação e consumo elétrico para desenvolvimento da atividade

pretendida.

Palavra-Chave: Aquaponia, hidráulica, motobomba.

Abstract: Taking in consideration the need and scarcity of water, the pursuit for reusable

alternative sources has increased. Studies show how the conscious use of this hydric resource has

improved the population’s quality of life. Its use is present in all the segments, as well as in fish

farming. This essay intent to offer an alternative way of designing a hydraulic system for planting

vegetables and fish farming, with the objective of reducing environmental impacts and waste of

water resources, however, this project offer a low cost of installation and electric consumption to

develop the intended activity.

Keywords: Aquaponics, hydraulics, motorpump.

1 TFC 2018 – TRABALHO FINAL DE CURSO

UNIVERSIDADE PARANAENSE – UNIPAR

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA - UMUARAMA/PR

1. INTRODUÇÃO

No cenário atual, os recursos hídricos têm se tornado assunto de pesquisas e discussões, portanto, por ser um recurso limitado é indispensável para a humanidade.

Os estoques de água no Brasil, como no resto do mundo, estão distribuídos de forma irregular e, além disso, de um ano para outro pode haver variação de disponibilidade por causa de alterações climáticas.

Dessa forma se torna necessário o reaproveitamento de água nas atividades do cotidiano da humanidade, como por exemplo, para produção agrícola. Um modelo específico do reaproveitamento é o sistema de aquaponia.

Estudos realizados sobre aquaponia no Canadá, Austrália, Estados Unidos, México e Israel têm

apresentado resultados satisfatórios. Com produções de pequena a larga escala, encontrando-se hoje na Alemanha a maior fazenda produtora com sistema aquapônico do mundo, produzindo

anualmente 35 toneladas de verduras e legumes e 25 toneladas de peixes (CARNEIRO, 2015; CORSO, 2010).

Com o propósito de redução e superação ambiental, a hidroponia e a aquaponia driblam as

principais deficiências que prejudicam o sistema produtivo, sendo algumas: a escassez de água,

terras que não permitem o cultivo convencional de verduras e a utilização de agrotóxicos e nutrientes que seriam eliminados para o ambiente (CARVALHO, 2005; MATSON, 2008).

Espelhando-se em dois sistemas, a aquaponia utiliza-se da recirculação de água para a criação de

peixes e do sistema hidropônico, onde ocorrem benefícios para ambas as partes. Semelhante a

simbiose, onde os peixes dos rios produzem dejetos nitrogenados que possuem uma fração de

nutrientes, atendendo as exigências dos vegetais e os organismos vegetais utilizando destes

compostos produzem sua própria biomassa, retirando estes compostos da água e tornando-a limpa

para o ambiente novamente (HUNDLEY, 2013; CARNEIRO, 2015). O problema do abastecimento de água não é novo e vem se acentuando cada vez mais, por causa

do custo da energia elétrica e seu racionamento, dessa forma é necessário a utilização de

mecanismos hidráulicos bem dimensionados para essa finalidade. Para a captação de água, na maior parte dos casos, precisa-se de energia elétrica ou de combustível para o acionamento do conjunto

motobomba (ROJAS, 2002). A Hidráulica Aplicada ou Hidrotécnicas é a aplicação concreta ou prática dos conhecimentos

científicos da mecânica dos fluídos e da observação criteriosa dos fenômenos relacionados a água,

quer parada, quer em movimento. Assim, seu dimensionamento é necessário para que haja sucesso no que tange o sistema como um todo (NETTO et al., 1998).

Dessa forma, este trabalho tem como objetivo: dimensionar um sistema hidráulico de aquaponia,

bem como escolher um conjunto motobomba em um sistema aquapônico para produção de peixes e hortaliças, visando a melhoria da qualidade de vida com boas práticas da reutilização da água.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Sistema Hidráulico

Segundo Freitas & Rezende (2010), o sistema hidráulico é composto pela instalação de sucção, recalque e conjunto motobomba, a seguir detalhes de cada um deles.




2.1.1. Instalação de Sucção

A instalação de sucção remete ao desnível geométrico, entre o nível dinâmico da captação e o bocal de sucção da bomba, para bombas centrífugas normais instaladas ao nível do mar e com fluído bombeado a temperatura ambiente, não podendo exceder 8 metros (SCHNEIDER, 2016).

Quando o nível de jusante está abaixo do centro do eixo da bomba, a altura geométrica de sucção é positiva. Quando o nível acima da linha de centro da bomba, a altura de sucção é negativa.

Assim sendo, a altura geométrica de sucção deve ser sempre menor do que a altura de recalque

calculada para a bomba, com a finalidade de evitar a cavitação (VIANA, 2012). A cavitação ocorre através da diminuição da pressão absoluta, atingindo a pressão de vapor

líquido, na temperatura em que este se encontra, iniciando a vaporização do mesmo. Inicialmente, em regiões rarefeitas, formam-se bolhas ou cavidades no interior das quais o líquido se vaporiza.

Em seguida, são conduzidas com grande velocidade na corrente líquida gerada pelo propulsor, atingindo regiões de elevada pressão retornando ao estado líquido (MACINTYRE, 2016).

Com a finalidade de evitar o processo de cavitação, a instalação de sucção deve conter os componentes básicos, necessários para seu funcionamento, como a tubulação, válvula de pé com crivo, curvas e redução concêntrica.

Segundo Netto et al. (1998), a maioria das aplicações de Hidráulica na Engenharia se diz

respeito à utilização de tubos ou tubulações. O tubo é um conduto usado para transporte de fluídos,

geralmente de seção transversal circular. Quando funcionando com a seção cheia, em geral, estão

sob pressão maior que a atmosférica e, quando não, funcionam como canais com superfície livre.

Ainda pontua que tubo é uma só peça, geralmente cilíndrica e de comprimento limitado pelo

tamanho de fabricação ou de transporte, de um modo geral, a palavra tubo aplica-se ao material

fabricado de um diâmetro reduzido. Já a tubulação é um conduto constituído de tubos ou tubulação

contínua fabricada no local. É o termo usado para o trecho de um aqueduto pronto e acabado. Ainda

segundo Netto et al. (1998), a canalização de sucção deve ser mais curta possível, com diâmetro

comercial da canalização de sucção superior ao diâmetro da tubulação de recalque, evitando-se ao

máximo, peças especiais como curvas, cotovelos entre outros, as quais devem seguir o diâmetro

dimensionado para a tubulação de sucção.

2.1.2. Instalação de Recalque

O recalque da água visa promover a transferência entre um reservatório inferior e outro superior. Na instalação de sucção, o nível do reservatório inferior está abaixo da linha de centro da bomba, na

instalação de recalque, o nível está acima da linha de centro do conjunto motobomba. A linha de centro da bomba sempre é tomada como referência para indicação das alturas geométricas ou

topográficas, o que divide a instalação de sucção da de recalque (FILIPPO FILHO, 2015). A denominação da instalação de recalque é constituída por tubulações, conexões, acessórios,

válvulas e os meios de elevação de líquidos (FREITAS & REZENDE, 2010). Na tubulação de recalque, deverão ser instalados, logo na saída da bomba, componentes básicos

para o seu acionamento, como uma válvula de retenção e uma válvula de gaveta (registro). A

primeira tem por objetivo evitar que o líquido volte quando a bomba for desligada, assim como,

serve de proteção contra o excesso de pressão e o golpe de aríete, impedindo que a bomba gire ao

mesmo tempo em sentido contrário ao da sua rotação. É também de utilidade para o escorvamento

da bomba (processo obrigatório de presença de água no interior da voluta da bomba para seu




acionamento). A válvula de gaveta serve, quando fechada, para interromper o fluxo no caso de eventuais reparos e substituições (NETTO et al., 1998).

Filippo Filho (2015), também ressalta que, a tubulação de recalque deve contar com pelo menos

duas válvulas, uma de bloqueio (gaveta), e uma de retenção. A válvula de bloqueio deve ficar fechada ou aberta, e deve estar fechada quando for feita manutenção na bomba ou na própria

tubulação. A válvula de retenção bloqueia o refluxo de água quando a bomba estiver desligada, evitando o esvaziamento da tubulação de recalque, o que dificultaria a próxima partida da bomba.

No que diz respeito a própria tubulação na instalação de recalque, Netto et al. (1998) indaga que as características da tubulação são determinadas pela perda de carga, velocidade e viscosidade do

líquido, sendo que o diâmetro deverá ser, sempre que conveniente, duas bitolas maiores que o diâmetro de saída da bomba.

Nesse processo de dimensionamento, se estabelece o processo de engenharia, o que repercute a melhor estratégia a ser definida com vistas ao custo do sistema, nessa vertente segue uma análise

que facilitará a compreensão do desenvolvimento do projeto de uma instalação hidráulica básica

para a instalação de recalque:

Dimensionamento das tubulações: se for adotado um diâmetro relativamente grande resultarão em perdas de cargas pequenas e consequentemente, a potência do conjunto elevatório será reduzida e as bombas serão de custo baixo, mas o custo da linha de recalque será elevado, devido ao valor de mercado (quanto maior o diâmetro mais caro a tubulação). Se, ao contrário, for estabelecido um diâmetro relativamente pequeno, resultarão em perdas elevadas, exigindo maior

potência para as máquinas, o que resultará em um baixo custo para canalização e o conjunto elevatório será dispendioso, consumindo mais energia e elevando o custo (NETTO et al., 1998).

Especificar o ponto de trabalho da bomba para o projeto de dimensionamento da tubulação de recalque: o ponto de trabalho de uma bomba hidráulica é obtido pelo cruzamento da curva característica da instalação com as curvas características da bomba, isto porque neste ponto a bomba é capaz de fornecer ao fluido a carga manométrica precisamente igual à que o fluido necessita para percorrer a instalação hidráulica, com uma vazão em regime de escoamento permanente, ou seja, ter a vazão, necessária para o projeto e sua respectiva altura manométrica, extravasar essa vazão minora qualquer erro de engenharia no dimensionamento do sistema

hidráulico (MACINTYRE, 1980).

Evitar a cavitação: como já abordado, a cavitação é o fenômeno de formação de bolhas de vapor que ocorre no interior de sistemas hidráulicos, principalmente em bombas hidráulicas (VIANA, 2012). Quando ocorre este fenômeno e a pressão em algum ponto da bomba atinge o ponto crítico, as condições de funcionamento tornam-se precárias, transmitindo vibrações para estruturas próximas, reduzindo o rendimento e podendo causar sérios danos aos materiais e as instalações, assim trazendo prejuízo ao sistema (FREITAS & REZENDE, 2010).

2.1.3. Conjunto Motobomba

Nas instalações de abastecimento de água utilizam-se bombas hidráulicas do tipo turbo bombas,

requerendo o escorvamento, que se refere ao preenchimento do interior da bomba e da tubulação de

sucção com o líquido a ser bombeado para a sua partida. O escorvamento das bombas pode ser

efetuado instalando-as abaixo do nível de água do reservatório de captação (bomba afogada),

porém, para instalações com bombas não afogadas, frequentemente são utilizadas válvulas de pé e

crivo (CARVALHO, 1992).




Por apresentar partes móveis, a válvula de pé e crivo é suscetível ao mau funcionamento, limitando a confiabilidade do sistema, principalmente em caso de automação, segundo Macintyre (1997), os defeitos mais comuns verificados nos bombeamentos relacionam-se com a sucção.

Contudo, bombas são máquinas operatrizes hidráulicas, ou seja, promovem trocas de energia

mecânica e hidráulica, de acordo com Baptista & Coelho (2010), as bombas transformam a energia mecânica que recebem dos motores em energia hidráulica, possibilitando transportar e elevar

fluídos a grandes distâncias e elevadas alturas, que atendem desde as pequenas instalações hidráulicas prediais aos grandes sistemas de abastecimento de água.

A bomba de fluxo é definida como uma máquina geradora ou acionada, onde o líquido escoa continuamente. A transformação é realizada através da energia mecânica recebida no seu eixo,

passando pela variação de energia cinética, sendo posteriormente convertida parcialmente em energia de pressão. O rotor da bomba, em consequência da sua rotação através de suas pás, converte

grande parte da energia cinética do líquido em energia de pressão (VIANA, 2012). Para o perfeito funcionamento do conjunto motobomba deve-se evitar o processo de cavitação,

segundo Freitas & Rezende (2010), algumas medidas podem ser tomadas a fim de evitar a cavitação, como:

A pressão de vapor cresce com o aumento da temperatura; Reduzir as perdas de carga na tubulação de sucção;

Tornar esta tubulação a mais reta possível;

Usar maior diâmetro na sucção;

Evitar sucção de ar.

Uma bomba de fluxo pode ser dividida nos seguintes grupos: hidráulico, mecânico, de vedação e de sustentação (VIANA, 2012). Como apresentado a seguir.

2.1.4. Grupo Hidráulico

Um conjunto motobomba hidráulico, conforme Figura 1, é responsável pela conversão e

transformações energéticas. Os elementos principais são os rotores, as volutas, os difusores, diafragmas e anéis de desgaste. O rotor é o elemento girante que, acionado por fonte motriz externa

energiza o líquido. O rotor tem função básica de fornecer energia cinética e de pressão ao líquido. O formato ou a geometria estabelece que o rotor tenha na sua operação maior altura

manométrica ou maior pressão e menor vazão, média altura e média vazão e menor altura

manométrica e maior vazão. A voluta da bomba tem a função de coletar o líquido na sucção e

direcioná-lo para dentro do rotor e guia-lo adequadamente para a saída da bomba, promovendo a

transformação de energia cinética em energia de pressão. Tem o formato de espiral, a razão pela

qual é chamada de caixa espiral. Nas bombas de vários estágios há necessidades de se intercalar

uma peça entre os rotores, a fim de separar um do outro. Essa peça é denominada diafragma, e tem

a função de orientar o líquido para o estágio seguinte e é fixada na voluta da bomba. O rotor não

pode tocar a voluta, havendo necessidade de se manter uma folga conhecida entre a entrada de

sucção do rotor e a carcaça (VIANA, 2012).




Figura 1- Conjunto motobomba (SCHNEIDER, 2016).

Conforme Baptista& Coelho (2010), as bombas desse grupo, podem ser classificadas em:

Radiais: conhecidas como centrífugas, tem denominação devido a trajetória do fluxo, dentro do rotor que se faz segundo um plano radial, ou seja, normal ao eixo, então é impelida pela força centrífuga do centro para fora.

Mistas: também conhecidas como diagonais, possuem um tipo de rotor cujo fluxo é diagonal ao eixo, sendo um tipo intermediário entre as centrífugas.

Axiais: utilizam a força de sustentação, para aumentar a sua força o rotor possui perfil aerodinâmico, com aspecto de hélice, são empregados para elevadas vazões e baixas alturas manométricas, e tem trajetória do fluxo segundo a direção do eixo da bomba.

2.2. Aquaponia

A aquaponia é representada como uma modalidade de cultivo de alimentos que envolvem a

integração entre a aquicultura e a hidroponia em sistemas de recirculação de água e nutrientes,

sendo uma alternativa para uma produção sustentável de alimentos. Se tratando de regiões onde há

histórico de escassez de água como muitos dos municípios do Nordeste brasileiro, produzir

alimentos com pouca água é um dos maiores desafios. Nesse cenário, faz-se necessário o somatório

de ações na busca por novas idéias para a produção de alimentos com o máximo de reutilização da

água e reaproveitamento de resíduos. Nesse sentido, tem por objetivo avaliar a produção de peixes e

vegetais num sistema de aquaponia de pequena escala para auxiliar ações em prol da produção de

alimentos em regiões de escassez hídrica (EMBRAPA, 2018). Ainda nessa vertente a Embrapa (2018), analisa que, uma vez abastecido e em funcionamento,

um sistema de aquaponia pode ficar por tempo indefinido sem a necessidade de troca de água,

sendo necessária somente a reposição da água perdida pela evaporação e pelas colheitas. Nesse sentido, a aquaponia é, inclusive, mais eficiente na utilização da água e geração de efluentes que a

própria hidroponia, que necessita constante renovação da solução hidropônica de nutrientes.

2.2.1. Vantagens e Desvantagens da Aquaponia

Infere-se que a aquaponia, dentro de suas limitações, é uma alternativa viável para a produção de alimentos saudáveis de maneira relativamente sustentável.

As principais vantagens da produção em aquaponia segundo Herbert (2008) e Braz (2000) são:




Utilização de uma quantidade mínima de água;

Possibilidade de produção em ambientes urbanos, perto dos centros de consumo;

Aproveitamento integral dos insumos água e ração;

Possibilidade de trabalhar como um sistema de alta densidade de peixes e hortaliças;

Obtenção de produtos de alta qualidade, livre de agrotóxicos e antibióticos;

Diversificação na produção permite renda contínua ao produtor; Minimização dos riscos de contaminação química e biológica de aquíferos;

Minimização dos riscos de introdução de espécies exógenas a aquíferos;

Licenciamento para a produção facilitado.

As principais desvantagens da produção em aquaponia, ainda segundo os autores são:

Dependência contínua em energia elétrica;

Severas limitações quanto à utilização de agrotóxicos e antibióticos;

Conhecimento em áreas da engenharia, hidráulica, Olericultura, zootecnia, dentre outras; Pouca tecnologia difundida na área no Brasil.

2.2.2. Construção do Sistema de Aquaponia

Os sistemas podem ser construídos em um ambiente aberto (Figura 2), fechado (Figura 3) ou em uma casa de vegetação (Figura 4). A escolha pelo local deve ter em conta diversos fatores, tais como:

Ambiente aberto – alguns países em que as variações de temperatura não são altas, existem a problemática do controle de insetos e pestes. Quando se pensa em Brasil, existem mais de uma série de pontos a levar em conta, nomeadamente a temperatura e presença de geadas que tornam impossível o cultivo de algumas espécies de plantas e peixes em algumas regiões (CANASTRA, 2017).

Figura 2- Sistema Aquapônico Ambiente Aberto (IGUIECOLOGIA, 2018).

Ambiente fechado – neste caso tem-se um maior controle de fatores como a temperatura e insetos. Contudo é importante ter em atenção outro fator muito importante, a luz. Tratando-se de uma zona em que existe pouca luz natural, tem de ser adicionada luz artificial, o que vai acrescentar um custo (CANASTRA, 2017).




Figura 3- Sistema Aquapônico Ambiente fechado (ECOAÇÃO, 2017).

Em casa de vegetação – esta é a melhor opção, uma vez que permite maior controle de todos os fatores e acesso à luz natural, com a desvantagem do custo de construção da mesma (CANASTRA, 2017).

Figura 4 - Sistema Aquapônico Casa de Vegetação (BLUE REST, 2017).

3. METODOLOGIA

3.1. Objetivo do Trabalho

Dimensionar uma instalação hidráulica de um sistema de aquaponia para a produção de peixes e hortaliças em um sistema aquapônico. Com objetivo principal:

Dimensionar uma instalação hidráulica de sucção.




Dimensionar uma instalação hidráulica de recalque.

Dimensionar o conjunto moto bomba.

3.2. Determinação do Sistema de Aquaponia

Foi utilizado um sistema de aquaponia em ambiente aberto (Figura 5), com o volume de 1000 L do tanque e tempo de escoamento da água em ciclo, com 300 alevinos ou 150 peixes na fase adulta, de 100 a 300 plantas prontas para o consumo ou mudas (EMBRAPA, 2018).

Figura 5 - Sistema Aquapônico Ambiente Aberto (AUTORES, 2018).

3.3. Dimensionamento da Tubulação de Sucção e Recalque

Para o dimensionamento da tubulação de sucção e recalque foi utilizado à equação de Bresse (NETTO, 1998).

Dr Kx Q (Equação 1)

Onde:

Dr= diâmetro do tubo de recalque, em m;

Q= vazão de projeto, em m3/s;

K= coeficiente econômico que depende do custo da energia, dos materiais e das maquinas usadas, portanto, varia de acordo com o tempo e região.

Com a relação de Bresse se escolheu o diâmetro para a tubulação de sucção e recalque, sendo o de sucção um diâmetro maior que o de recalque, e foram conferidas as velocidades de escoamento

nas duas instalações, não podendo ultrapassar o limite de 2 ms-1

, para tubulação de PVC, por meio da equação da continuidade:

(Equação 2)

Onde:

V= velocidade, em m/s;

Q= vazão, em m3/s;

A= área da seção de escoamento, em m².




3.3.1. Determinação da Vazão de Projeto

Foi utilizada a equação da vazão, para se determinar a vazão do projeto para produção de hortaliças e peixe, a qual segue:

(Equação 3)

Onde:

Q= vazão, em m³/s;

Vt= volume do tanque, em m3;

Tc= tempo de ciclagem da água, s.

3.4. Determinação do Coeficiente Econômico (K)

Segundo Freitas & Rezende (2010) e para Netto (1988) os valores de K variam entre 0,9 e 1,40, com uma média de K=1,0.

3.5. Dimensionamento dos Acessórios para o Sistema Hidráulico

Foram utilizados componentes básicos para um sistema hidráulico conforme Tabela 1, seguindo os respectivos diâmetros da tubulação de sucção e recalque.

Tabela 1-Componentes do Sistema de aquaponia.

MATERIAL QUANTIDADE

Cano PVC 50 mm 12 m

Cano PVC 15 mm 5 m

Cano PVC 20 mm 7 m

Cano PVC 100 mm 18 m

Tê 15 mm 1

Tampão 50 mm 4

Cotovelo 90°15 mm 1

Tampão 100 mm 6

Cotovelo 90°20 mm 3

3.6. Escolha do Conjunto Motobomba

O conjunto motobomba, foi escolhido por meio do catálogo do fabricante, levando em

consideração o tipo de fluido com resíduos de acordo com o simulador de dimensionamento disposto no endereço: www.schneider.ind.br/produtos, e foi apresentada a curva característica da

bomba, com interpretação para seu uso, para tal será necessário o cálculo da altura manométrica.

3.7. Determinação da Altura Manométrica

Para determinar a altura manométrica é necessário determinar as perdas de cargas do sistema (contínua mais a localizada). Para dimensionar as perdas de cargas de sucção e recalque, foi utilizada a fórmula universal para cálculo da perda contínua na tubulação, expressa por:




2

5...0826,0 Q

D

Lfh f (Equação 4)

Onde:

= perda de carga, mca;

D = diâmetro do tubo, em m;

L = comprimento do tubo, em m;

Q = vazão, em m³/s;

= coeficiente de atrito, adimensional.

Freitas & Rezende (2010), propôs uma equação que apresenta solução analítica, qual necessário utilizar os métodos numéricos para obter os valores dos coeficientes de atrito, são as seguintes opções, Equação 5:

Para:

4000 < Reynolds <

31

610..200001.0055,0

eRDf

(Equação 5)

Onde:

ℇ= rugosidade relativa para tubo de pvc, conforme Tabela 2, m;

D= diâmetro do tubo, em m;

Re =número de Reynolds, que assume a Equação 6.

DVRe

. (Equação 6)

Onde:

= viscosidade cinemática do liquido a 20°C, em m²/s, conforme Tabela 3;

V= velocidade do liquido no interior do tubo, em m/s;

D= diâmetro interno do tubo, em m.

Tabela 2– Valores de rugosidade equivalente (FREITAS & REZENDE, 2010).

Material do tubo Rugosidade equivalente (m)

Aço galvanizado 0,00016

Alumínio 0,000004

Ferro galvanizado 0,00015

Fibrocimento 0,0001

Latão, cobre 0,000007

Plástico 0,00006




Tabela 3– Valores da viscosidade cinemática (FREITAS & REZENDE, 2010).

Liquido Temperatura (°C) Viscosidade (m²/s)

Água 10 1,31.10^-6

Água 20 1,00.10^-6

Água 40 0,66. 10^-6

Água 80 0,37. 10^-6

Água do mar 5 1,61. 10^-6

Glicerina 20 1180. 10^-6

Para valores maiores que

7,3log2

1

D

f

(Equação 7)

Onde:

ℇ= rugosidade relativa para tubo de PVC, conforme Tabela 2, m;

D= diâmetro do tubo, em m.

Para o cálculo das perdas de cargas localizadas foi utilizado o método dos diâmetros equivalentes com auxílio da Tabela 4, onde:

Perda de carga localizada = diâmetro da tubulação x Números de diâmetros para cada acessório utilizado no sistema.

Tabela 4 – Comprimentos equivalentes (FREITAS & REZENDE, 2010).

Peça Números de diâmetros

Ampliação excêntrica 06

Redução excêntrica 06

Cotovelo de 90° 36

Cotovelo de 45° 16

Curva de 90º 30

Curva de 45º 15

Tê, saída lateral 50

Tê, saída bilateral 65

Registro de gaveta 08

Válvula de pé 250

Válvula de retenção 100

Assim, para a altura manométrica foi utilizado na Equação 8:

Hmt Hfrec Hgrec Hfsuc Hgsuc (Equação 8)




Onde:

Hmt= altura manométrica total, em m;

Hfrec= perdas de carga localizadas + continua no recalque, em m;

Hgrec= altura geométrica de recalque, em m;

Hfsuc= perdas de carga localizadas + continua no recalque, em m;

Hgsuc= altura geométrica de sucção, em m.

Para as alturas geométricas, foi considerada uma altura de 3,00 m para recalque 1,50 m para sucção, de acordo com a Figura 5.

3.8. Consumo de Energia por mês

Foi calculado o consumo de energia por mês, em kWh, que depende da potência consumida pelo conjunto motobomba em relação à eficiência do motor, sendo dimensionada pela Equação 9:

Pc Pm

(Equação 9) Rm

Onde:

Pc= potência consumida, cv;

Pm= potência do motor, cv;

Rm= rendimento do motor.

Dessa forma, o consumo de energia por mês, em kWh, foi estimado pela Equação 10:

CTE 0,736.Pc.NHOS (Equação 10)

Sendo:

CTE= consumo de energia, kWh;

Pc= potência consumida, cv;

NHOS= número de horas provável, h.

3.8.1. Custo Mensal para Bombeamento de Água

Para determinação do custo de energia, foi utilizada a Equação 11, com auxilio da Tabela 5.

CB CTE.Cm (Equação 11)

Onde:

CB= custo de bombeamento, R$/kWh;

CTE= consumo de energia, kWh;

Cm= custo mensal, R$/kWh.




Tabela 5 – Tarifa convencional junho 2018 (COPEL, 2018).

Consumo mensal (R$/kWh) ANEEL ICMS e

PIS/COFINS

Consumo mensal inferior ou igual a 30 kWh 0,16188 0,17039

Consumo mensal entre 31 kWh e 100 kWh 0,27750 0,42045

Consumo mensal entre 101 kWh e 220 kWh 0,41625 0,63068

Consumo mensal superior 220 kWh 0,46250 0,70076

Obs: Consumo até 30kwh isento de ICMS

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1. Dimensionamento do Sistema Hidráulico com Uso do Conjunto Motobomba

A Tabela 6 mostra os resultados obtidos nos cálculos para obtenção da Vazão do sistema e Tempo de ciclagem.

Tabela 6- Resultados de vazão e tempo de ciclagem.

Sigla

Nomenclatura

Resultado

Tc Tempo de Ciclagem 3703,7 s

Qs Vazão do Sistema 0,0002 m3/s

O tempo de ciclagem se obtém através do volume do tanque que é de 1000 L e a vazão do

sistema que é 0,0002 m3s-1

. É o tempo que a água vai demorar para circular dentro do sistema. Na Tabela 7, nota-se que o diâmetro calculado para a tubulação corresponde a 0,0016 m, logo,

para o diâmetro de recalque, utilizou-se a regra prática que permite adotar um diâmetro comercial inferior e superiormente para o de sucção.

Tabela 7- Diâmetros comerciais e velocidade obtida.

Sigla

Nomenclatura

Resultado

Dr Diâmetro Recalque 0,015 m

Ds Diâmetro Sucção 0,020 m

Vs Velocidade média de escoamento na 0,864 m/s tubulação de sucção

Vr Velocidade média de escoamento na 0,486 m/s tubulação de recalque

4.2. Escolha do Conjunto Motobomba

Antes da escolha do conjunto motobomba, fez-se necessários cálculos para obtenção das perdas de carga e altura manométrica dos sistemas, que resultaram em:

Para tubulação de sucção Tabela 8 e Tabela 9:




Tabela 8- Tabela perda de carga sucção.

Peça

Comprimentos Equivalentes

Resultado

Válvula de pé 1.250.0,02 5

Curva de 90° 1.30.0,02 0,6 Redução

1.6.0,02

12

excêntrica

Total 5,72

Tabela 9 - Tabela resultados sucção.

Sigla Nomenclatura Resultado

Re Número de Reynolds 15552

Para 4000<Reynolds< 107

f Coeficiente de atrito 0,091

hf Perda de Carga 1,75 mca

Hg,suc Altura Geométrica de Sucção 1,5 m

Hf,suc Perda de carga localizada mais perda de 7,47 m carga contínua na sucção

Para tubulação de recalque Tabela 10 e Tabela 11:

Tabela 10- Tabela perda de carga recalque.

Peça

Comprimentos Equivalentes

Resultado

Curva de 90° 1.30.0,015 0,45

Tê 1.65.0,015 0,97

Ampliação

excêntrica 1.6.0,015 0,09

Válvula de

retenção 1.100.0,015 1,5

Registro de

gaveta 1.8.0,015 0,012

Total

3,13

Tabela 11- Tabela resultados recalque.

Sigla

Nomenclatura

Resultado

Re Número de Reynolds 6318

Para 4000<Reynolds< 107

f Coeficiente de atrito 0,133

hf Perda de Carga 6,13 mca

Hg,rec Altura Geométrica de Recalque 3 m

Hf,rec Perda de carga localizada mais perda de 9,26 m carga contínua no recalque




Para altura geométrica foi utilizada uma altura de 3 metros para recalque e 1,5 metros para sucção. Resultando, portanto em uma altura manométrica total de aproximadamente 20 mca.

Através do simulador de dimensionamento foi selecionada a bomba, as quais também são exibidas na curva característica e as devidas especificações, conforme Figura 6:

Figura 6 – Curvas características (SCHNEIDER, 2010).




Especificações:

Modelo: BC-98-SC

Potencia: 0,5cv

Sucção: ¾’

Recalque: ¾’

Monofásico

Diâmetro do rotor: 107 mm

Rendimento: 30 %

De acordo com a curva característica se encontra os seguintes pontos a serem avaliados:

O primeiro gráfico indica qual a altura manométrica máxima que a bomba pode trabalhar, sendo o máximo até 20 mca a bomba de modelo BC-98-SC atende a altura máxima que vai ser recalcado o fluido. E pela tabela encontramos o ponto de trabalho.

O segundo gráfico indica NPSH que é o controle contra cavitação, onde se trabalha com duas

variáveis, para se evitar a cavitação o NPSH disponível tem que ser maior do que o NPSH

requerida. Calculando temos o NPSH disponível = 6,74 mca e comparando com a curva

característica o NPSH requerida para 1 m3/h é 1,5 mca, então não haverá cavitação.

O terceiro gráfico indica a potência do eixo em cv, que para 1 m3/h é de 0,25 cv.

O quarto gráfico indica o rendimento máximo da bomba para 1 m3/h que é 30 %, medida de

eficiência do motor com a bomba.

4.2.1 Custo do Sistema de Aquaponia

O custo para instalação do sistema de aquaponia utilizando a média de preço comercial obteve-se um valor de R$ 1.270,14 conforme detalhado na Tabela 12.

Tabela 12 - Tabela de preços.

Quantidade Unidade Tubulações e Conexões e Conj. motobomba Preço Unitário (R$) Preço total (R$)

03 mm Tubo PVC 100 52,90 158,70

02 mm Tubo PVC 50 38,90 77,80

01 mm Tubo PVC 20 13,97 13,97

01 mm Tubo PVC 15 21,75 21,75

01 mm Curva 90º 15 2,99 2,99

03 mm Curva 90 º 20 1,99 5,97

01 mm Tê 15 1,78 1,78

02 mm Capa 15 0,69 1,38

01 mm Válvula de pé e crivo 20 34,90 34,90

01 mm Válvula de retenção 15 38,90 38,90

01 mm Registro de gaveta 15 61,90 61,90

01 mm Redução excêntrica 20 2,00 2,00

01 mm Ampliação excêntrica 15 2,10 2,10

01 Unid. Conjunto motobomba 440,00 440,00

01 Unid. Cola para junção das peças e conexões 6,00 6,00

01 L Caixa d’água 1000 400,00 400,00

PREÇO TOTAL DE MONTAGEM 1.270,14




Para o custo com energia elétrica foi obtido um valor de R$ 63,20 por mês, conforme Tabela 13:

Tabela 13-Tabela resultado custo de bombeamento.

Sigla Nomenclatura Resultado

NHOS Número de Horas Provável ≈ 720 horas

Pc Potência Consumida 0,7 cv

CTE Consumo de Energia 370,9 kWh

CB Custo do Bombeamento R$ 63,20/mês




5. CONCLUSÃO

De acordo com esse trabalho fica evidente a importância da integração da piscicultura com a hidroponia, na qual essa integração só é possível através do dimensionamento hidráulico das tubulações e do conjunto motobomba.

De forma bem explicativa fica evidenciada no trabalho a realização do projeto que possibilita contribuir para a formação de vários acadêmicos da disciplina de hidráulica do curso de engenharia na Universidade. Um projeto no qual futuramente poderá ter sua execução realizada na mesma.

O custo para se instalar um sistema aquapônico é muito baixo considerando o custo de bombeamento por mês e a compra das peças, ainda mais quando se pensa em ter uma renda

contínua, e o mais importante, aprendizado dos acadêmicos.




6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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