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CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
REINALDO CAIRES RAMOS JUNIOR
SISTEMA PARA CAPTAÇÃO DE ÁGUAS PLUVIAIS CONTROLADO POR CLP
Garça
2016
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
REINALDO CAIRES RAMOS JUNIOR
SISTEMA PARA CAPTAÇÃO DE ÁGUAS PLUVIAIS CONTROLADO POR CLP
Artigo Científico apresentado à Faculdade de
Tecnologia de Garça - FATEC, como requisito para a conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte
comissão de professores.
Data da aprovação: / /
__________________________________ Prof. Dr. José Arnaldo Duarte
FATEC – Garça
__________________________________ Prof. Dr. Edson Detregiachi Filho
FATEC – Garça
__________________________________ Prof. Dr. Ulysses de Barros Fernandes
FATEC – Garça
Garça
2016
1
SISTEMA PARA CAPTAÇÃO DE ÁGUA DA CHUVA CONTROLADO POR CLP
Reinaldo Caires Ramos Junior1 [email protected]
Prof. Dr. José Arnaldo Duarte2 [email protected]
Resumo – A água é um recurso natural finito essencial para sustentar a vida no
Planeta, além de ser imprescindível para o desenvolvimento econômico. Por ser finito, é necessário sempre buscar novas formas de apropriação para diminuir as agressões e o desperdício por meio do uso racional, sustentável e ético, o que demanda o acesso
ao conhecimento, para fundamentar a pesquisa em questão por meio de leituras em fontes qualitativas. A metodologia utilizada se constitui na construção de um protótipo
no qual será desenvolvido um sistema para captação e armazenamento de água pluvial controlado por CLP. As questões postas demostram a relevância social e acadêmica do tema escolhido para o Trabalho de Conclusão de Curso.
Palavras-chave: Mecatrônica. Captação de Água Pluvial. Sustentabilidade e Ética.
Abstract – The Water is a finite natural resource essential to sustain life on Earth, yet to be indispensable to the economic development. Because it’s finite, it is necessary
to always search appropriate new ways to reduce aggression and wastage by a rational use, sustainable and ethical, what demands a knowledge access to justify the research by reading qualitative sources. The used methodology consists in the
construction of a prototype where will be develop a rainwater harvesting and storage system controlled by PLC. The lay questions demonstrate the social and academic
relevancy to the chosen topic to the undergraduate thesis.
Keywords: Mechatronic. Rainwater Harvesting. Sustainability & Ethic.
1. INTRODUÇÃO
O mundo atual encontra-se permeado pelos avanços advindos dos
investimentos em ciência e tecnologia por meio das pesquisas que geram
conhecimentos e soluções visando à sustentabilidade ambiental. Em 2014, São Paulo
passou por uma racionalização de água, pois o sistema Cantareira estava abaixo do
volume morto.
1 Aluno do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial – Fatec - Garça 2Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça - Fatec
2
A água é um recurso essencial, pois sem ela a sobrevivência de vários seres,
inclusive o ser humano, estará ameaçada.
De acordo com Santos (2016) a água representa, do peso total do corpo, 60%
de um adulto e 80% do infantil. Ela é o principal componente das células, atua nos
processos fisiológicos, transporta e elimina substâncias, regula a temperatura, forma
as lágrimas e está relacionada com praticamente todas as reações do corpo. Dentro
de três a cinco dias sem acesso a esta substância é fatal para o ser humano.
Uma possibilidade para resolver o problema é a armazenagem da água pluvial
como substituta da água advinda da rede urbana para algumas tarefas. Porém, não
basta apenas colocar uma caixa d’água com a tampa aberta pois isto resultaria na
criação de outros problemas como a proliferação do Aedes Aegypti contaminado e a
consequente transmissão da dengue e seus desdobramentos.
Para o pesquisador do IPT, Zanella (2015): “A captação de chuva é uma
alternativa para muitas famílias para reuso na descarga, limpeza de pisos, lavagem
de carro e rega de plantas, mas em vários casos a água não é tratada corretamente”.
O tratamento da água é essencial para que impurezas presentes não
danifiquem qualquer componente presente no sistema físico do projeto, ou seja, a
água precisa passar por um processo de filtragem antes de ser armazenada em um
local fechado devendo conter uma tampa para constantes cuidados como controle de
infiltração de impurezas visíveis.
Para tanto, o projeto em questão pode ser automatizado ou conter processos
de automação para o controle da obtenção da água até a distribuição nos
estabelecimentos.
Para o economista norte-americano Sachs (2015), “A tecnologia pode tornar
nossas cidades mais inteligentes, limpas e seguras”, ou seja, é possível o uso de
métodos para a recuperação da água por meio do uso de tecnologias pertinentes à
situação.
Nesse contexto encontra se o tema escolhido para a elaboração da pesquisa,
relacionado aos conteúdos trabalhados no curso de Tecnologia em Mecatrônica
Industrial. As tecnologias mais apropriadas para a implementação de um sistema de
captação de água da chuva e a reutilização são a automação, a automatização ou a
robótica, com a utilização da mecânica, eletrônica e informática.
3
A água, um recurso natural finito e essencial à continuidade da vida no Planeta,
deve ser utilizada com equilíbrio para manutenção dos ecossistemas e a qualidade de
vida das pessoas.
As questões colocadas demostram a relevância social, ambiental e acadêmica
da pesquisa, para o progresso da ciência, por meio da inovação, ampliação e
sistematização do conhecimento.
O desenvolvimento está estruturado da seguinte maneira: introdução,
desenvolvimento, considerações finais e referências, o que reflete a conexão entre os
itens pontuados e destes com o tema escolhido.
A fundamentação teórico-metodológica será realizada por meio das leituras em
fontes qualitativas de autoria de pesquisadores consagrados no meio acadêmico e o
desenvolvimento de um protótipo no qual se constitui em um experimento,
contemplando o processo hidráulico para melhor locomoção da água captada para os
reservatórios e, por fim, para os estabelecimentos.
1.1 Objetivos
1.1.1 Geral
Desenvolver um sistema automatizado que capta, filtra e armazena a água
pluvial em um reservatório e envia, por meio de uma bomba, para o sistema de
distribuição.
1.1.2 Específicos
Dimensionar os componentes necessários ao funcionamento do sistema;
Construir um protótipo para demonstrar a possibilidade de desenvolver um
sistema para armazenar a água pluvial com menor consumo e baixos custos.
2. DESENVOLVIMENTO
2.1 Referencial teórico
2.1.1 Estudo do local
Para o planejamento do projeto é necessário estudar o local de implantação,
coletar informações relevantes ao tema escolhido e, dentro desses resultados,
escolher e obter os materiais práticos e econômicos para que tudo ocorra como
planejado. Para este projeto necessitamos das seguintes informações:
4
Qual a área do telhado, em m², de cada estrutura onde o sistema será
implantado?
Qual o volume, em mm, de água da chuva que cai na cidade?
Qual o consumo médio mensal de água, em litros, do estabelecimento?
Qual o consumo médio mensal de energia, em KW/h, do
estabelecimento?
Após a coleta das informações é possível calcular o consumo diário do
estabelecimento para dimensionar o reservatório, a área de captação, as
calhas e tubulações e escolher o processo de filtragem adequado para o
sistema. A figura 1 demonstra o processo de obtenção e as áreas onde a
mesma poderá ser utilizada.
Figura 1 – Obtenção e utilização da água pluvial
Fonte: Tera
A instalação de um sistema para captação de água pluvial não favorece apenas
a quem está instalando, mas também o Estado pois este sistema diminui o consumo
da água advinda da distribuidora possibilitando economia em recursos e que seus
reservatórios estejam em níveis altos por mais tempo em época de estiagem.
5
2.1.2 Filtro
Antes de começar a construção do projeto em si é preciso escolher o tipo de
filtro, pois é ele que determinará o uso específico da água captada. É obrigatório o
conhecimento sobre tamanho de partículas a serem retiradas e a eficácia do processo
de filtragem, conforme a tabela 1 e figura 2.
Tabela 1 - Tamanho das partículas que podem estar presentes na água
Partícula Tamanho (µm)
Açúcar 0,001
Clorofila 0,005 – 0,01
Asbestos 0,05 – 1
Negro de Fumo 0,01 – 0,3
Vírus 0,1
Bactérias 0,2 – 10
Pó Fino 0,4 – 100
Talco 0,5 – 55
Argila Menor que 2,5
Silte 2 -19
Carvão Pulverizado 4 – 500
Glóbulo Vermelho 5
Algas Unicelulares 10,0
Cabelo 30 – 175
Partículas visíveis Maior que 55
Areia de Praia Maior que 95
Pó de cimento 3 – 100
Areia Fina 19 – 225
Areia Grossa Maior que 225
6
Carvão Ativado Granular Maior que 225
Fonte: Adaptado da NaturalTec
Figura 2 - Eficácia dos processos de filtragem
2.1.3 Dimensionamento do Reservatório Inferior
Volume do reservatório (𝑉𝑐): 𝑉𝑐 = (𝑉𝑑 + 𝑁𝑑𝑖𝑎) + 10%(𝑉𝑐) , onde:
𝑉𝑐: Volume do reservatório, m³;
𝑉𝑑: Volume da demanda de água diária, m³;
𝑁𝑑𝑖𝑎: Número de dias de armazenamento (mínimo de 15 dias);
10%(𝑉𝑐) é um adicional referente ao coeficiente de evaporação do sistema.
Demanda de água (𝑉𝑑): 𝑉𝑑 = 𝐶𝑚 ∗ 𝑁𝑝 , onde:
𝑉𝑑: Volume de demanda de água diária, L;
𝐶𝑚: Consumo médio de água por pessoa, L;
𝑁𝑝: Número de pessoas no estabelecimento, adimensional.
Para facilitar o dimensionamento podemos usar a conta de água para a
obtenção do volume de demanda de água mensal.
Fonte: adaptado da Naturaltec
7
Área de captação (𝐴): 𝐴 =𝑉𝑐
𝑃𝑟𝑒𝑐𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 , onde:
𝐴: Área de captação, m²;
𝑉𝑐: Volume do reservatório, m³;
𝑃𝑟𝑒𝑐𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 : Precipitação média anual de chuva, m.
2.1.4 Dimensionamento da bomba hidráulica
OBS: Dimensionamento depende da fabricante pois alguns valores são obtidos
através do catálogo.
Volume do reservatório superior (𝑉): 𝑉 =(𝑉𝑐∗ 𝑁𝑅𝑒𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 )
1000 , onde:
𝑉: Volume da caixa (reservatório superior), m³;
𝑉𝑐: Volume do reservatório, L;
𝑁𝑅𝑒𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠 : Números de caixas que serão usados, adimensional.
Vazão (𝑄): 𝑄 =𝑉
𝑡 , onde:
𝑄: Vazão, m³/h;
𝑉: Volume da caixa, m³;
𝑡: Tempo, h.
Antes de realizar o dimensionamento da bomba deve se considerar que haverá
perda de carga no sistema de tubulação devido a evaporação do fluido utilizado e da
resistência de escoamento oferecido pelo próprio tubo.
Para considerar a perda de carga por evaporação deve se somar a altura
manométrica total por 5%, já a perda de carga na tubulação é obtida no catálogo da
fabricante do tubo.
8
Equação 1 – Equações e variáveis para o dimensionamento da bomba
Fonte: Adaptado de Provenza
9
2.1.5 Caso FATEC Garça
Bomba d’água centrífuga;
Volume da demanda média janeiro – maio de 2016: 98,2 m³ = 98.200 L;
Precipitação média de chuva em Garça janeiro – maio: 721,4 mm = 0,7214 m;
Volume do reservatório inferior: 𝑉𝑐 = (98,2 + 15) + 10%(𝑉𝑐) = 124,52 𝑚³;
Área de captação: 𝐴 =124,52
0,7214 ≈ 173 m²;
Volume do reservatório superior: 𝑉 = 50 𝑚³.
Para a continuação deste dimensionamento será utilizado as dimensões
contidas no exemplo da Equação 2, mas com a alteração das seguintes variáveis:
Diâmetro dos tubos de Sucção: 1 ½’’; Perda nos tubos 1 ½’’: 11;
Diâmetro dos tubos de Recalque: 1 ¼’’; Perda nos tubos 1 ¼’’: 23,50;
Recalque: 10 m;
Perda de sucção: 11
100 * 30,5 = 6,355 m;
Perda de recalque: 23,50
100 * 56,6 = 13,3 m;
Altura Manométrica de Sucção: 3 + 3,355 = 6,355 m;
Equação 2 – Realização de um exemplo
Fonte: Adaptado de Provenza
10
Altura Manométrica de Recalque: 10 + 13,3 = 23,3 m;
Altura Manométrica Total: 6,355 + 23,3 = 29,655 m ≈ 30 m.
Com a Altura Manométrica Total e o catálogo Schneider motobombas se obtém que
a bomba centrífuga a ser utilizada é a Schneider BC-21 R 1 ¼, com potência de 3 CV
e vazão 8,1 m³/h para aplicação em abastecimento predial.
2.2 Metodologia do protótipo
Maquete simples com o objetivo de demonstrar o ciclo repetitivo do sistema:
captação, armazenamento, distribuição e utilização. Os componentes utilizados para
a montagem do protótipo são simples, práticos e de fácil obtenção, permitindo que o
mesmo possa ser montado por qualquer indivíduo para aquisição de conhecimento
sobre o funcionamento prático do sistema. Para águas pluviais é utilizado uma bomba
d’água centrífuga.
2.2.1 Componentes utilizados
1 válvula manual;
2 reservatórios feitos com tubo PVC;
1 bomba d’água;
1 protetor para bomba feita com PVC;
Fonte: Schneider
Figura 3 – Schneider BC-21 R
11
1 válvula solenoide;
1 CLP;
4 sensores de nível;
Sistema de tubulação.
OBS: Não foi utilizado um filtro pois a água no sistema já passou por esse
processo.
2.2.2 Bomba d’água
Equipamentos rotativos utilizados para converter energia mecânica em energia
hidráulica em fluidos pressurizados, podendo aumentar sua energia cinética com o
objetivo de efetuar ou manter o deslocamento de um líquido por escoamento. A ação
mecânica cria um vácuo parcial na entrada da bomba permitindo que a pressão
atmosférica force o fluido do tanque através da linha de sucção, a escoar. Fornecem
vazão e não pressão.
OBS: Em um projeto deve se sempre considerar o volume de descarga ou
sucção e a pressão, além de fornecer energia o suficiente para que o líquido vença a
resistência ao escoamento do sistema de tubulação.
2.2.3 Sensores de nível
Detectam nível de líquidos em reservatórios na altura em que forem instalados
com contato ON/OFF como saída. Aplicados em água, óleo e produtos químicos, com
saída em cabo ou conexão DIN e M12. Para montagem na lateral do reservatório na
altura em que desejar detectar nível. Também conhecido como “chave de nível” ou
“bóia de nível”, funciona com contato Reed Switch e flutuador magnético.
2.2.4 Válvula solenoide
É formado por duas partes principais: corpo e bobina.
A bobina é formada por um fio enrolado através de um cilindro. Quando uma
corrente elétrica passa por este fio ela gera uma força no centro da bobina solenoide,
fazendo com que o êmbolo da válvula seja acionado criando assim o sistema de
abertura e fechamento.
O corpo, por sua vez, possui um dispositivo que permite a passagem de fluido ,
ou não, quando sua haste é acionada pela força da bobina. Esta força é que faz o pino
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ser puxado para o centro da bobina permitindo a passagem do fluido. O processo de
fechamento ocorre quando a bobina perde energia, pois o pino exerce uma força
através de seu peso e da mola que tem instalado.
2.2.5 Controlador lógico programável
Conhecido pela sigla CLP ou PLC (Programmable Logic Controller), é um
computador dedicado, baseado em um microprocessador que desempenha funções
de controle através de um software desenvolvido pelo usuário. Cada CLP contém seu
próprio software, mas geralmente a linguagem padrão é o LADDER.
Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), é um
equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações
industriais.
Segundo a National Electrical Manufacture Association (NEMA), é um aparelho
eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenar internamente
instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica, sequenciamento,
temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de módulos ou
expansões de entradas e saídas, vários tipos de processos ou periféricos.
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2.2.6 Diagrama lógico do protótipo
2.2.7 Software LADDER e Allocation List
Tabela 2 – Allocation List
Input/Output Símbolo Descrição
O0.0 P_101 Bomba_B101_->_B102
O0.1 V_101 Valv_Solenoide_B102_
->_B101
I0.0 S_101 LS-_B101
I0.1 S_111 LS+_B101
I0.2 S_112 LS-_B102
I0.3 S_102 LS+_B102
Fonte: O autor (2016)
Fonte: O autor (2016)
Figura 4 – Diagrama lógico do protótipo
14
Figura 5 - Software LADDER
Fonte: O autor (2016)
15
2.2.8 Montagem
Figura 6 – Montagem dos reservatórios
Fonte: O autor (2016)
Figura 7 – Instalação dos componentes
Fonte: O autor (2016)
Figura 8 – Organização da fiação elétrica
Fonte: O autor (2016)
16
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O protótipo consegue simular o ciclo repetitivo do sistema demonstrando como
é básico seu funcionamento, além de ser fácil dimensionar e montar para fazer testes
experimentais.
A água pluvial contribui para os seres vivos por não agredir o meio ambiente
sendo o substituto da água potável e filtrada em certas tarefas humanas, assim como
a energia solar substitui a resistência no aquecimento e a eólica na geração de energia
limpa, além de beneficiar o Estado possibilitando reservatórios em alto níveis pela
economia de recursos.
Vantagens: É uma atitude ecologicamente responsável, pois reaproveita a
água da chuva em vez de utilizar o precioso recurso hídrico potável, diminuindo sua
pegada hídrica; pode ser instalada em qualquer ambiente: rural ou urbano, casa ou
apartamento; representa uma economia de 50% na conta de água; ajuda a conter
enchentes ao armazenar parte da água que, caso contrário, iria para rios e lagos e
diminui sua quantidade no esgoto; ajuda em tempos de crise hídrica e até está sendo
utilizada em áreas do sertão nordestino como forma de combate às secas; pode-se
criar uma cultura de sustentabilidade ecológica nas construções, o que poderá garantir
uma cisterna em cada casa construída no futuro.
Desvantagens: É necessário disciplina, as calhas devem ser limpas para
impedir contaminação através de fezes de ratos ou de animais mortos e mantidas em
boas condições; o interior da cisterna também deve ser limpo periodicamente; a
instalação, se for ligada à rede de encanamentos da casa, precisará de um profissional
para rearranjar os encanamentos (lembrando que a água não pode ser utilizada para
consumo porque não é potável), porém, em muitos casos, o investimento é devolvido
no primeiro ano, senão nos primeiros meses; algumas cisternas de plástico podem
deformar com o tempo, ou apresentar rachaduras. Procure uma com filtro anti-UV 8
ou construa uma de alvenaria; caso seja enterrada (ou subterrânea), seu custo de
instalação será maior.
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4. REFERÊNCIAS
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<http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfe8UAG/cisternas>. Acesso em: 03 out. 2015.
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Brasil Escola. Disponível em: <http://brasilescola.uol.com.br/biologia/importancia-agua-para-corpo-humano.htm>. Acesso em 06 jun. 2016.
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exame/edicoes/1085/noticias/secas-como-a-de-sao-paulo-vao-se-espalhar-diz-
jeffrey-sachs>. Acesso em: 13 abr. 2015. ÁGUA de chuva não deve ser direcionada a rede de esgoto. Tera, 2013. Disponível
em: <http://www.teraambiental.com.br/blog-da-tera-ambiental/bid/325436/gua-de-
chuva-n-o-deve-ser-direcionada-a-rede-de-esgoto>. Acesso em: 10 mar. 2016. Captação de água de chuva: conheça as vantagens e cuidados necessários para o
uso da cisterna. eCycle. Disponível em: <http://www.ecycle.com.br/component/content/article/43-drops-agua/3301-o-que-e-
cisterna-tecnologia-projeto-sistema-solucao-alternativa-aproveitamento-reaproveitamento-reuso-captacao-coleta-agua-chuva-pluviais-reservatorio-armazenamento-deposito-caixa-de-agua-casa-condominio-consumo-humano-como-
onde-encontrar-comprar.html>. Acesso em: 14 jul. 2016. CLIMA dos municípios paulistas. UNICAMP Campinas/SP. Disponível em:
<http://www.cepagri.unicamp.br/outras-informacoes/clima-dos-municipios-paulistas.html>. Acesso em: 27 abr. 2014.
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18
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MORAIS, C. C.; CASTRUCCI, P. L. Engenharia de automação industrial. Rio de
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