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 reinaldo.ramos@fatec.sp.gov.br

Prof. Dr. José Arnaldo Duarte2 josearnaldoduarte@hotmail.com

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.

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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:

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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.

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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

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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

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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

12

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)

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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)

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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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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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