UTILIZAÇÃO DO PRINCÍPIO DE BERNOULLI PARA CRIAÇÃO DE ...

IV EREECJoão Pessoa - PB

19 a 21 de setembro de 2017

UTILIZAÇÃO DO PRINCÍPIO DE BERNOULLI PARA CRIAÇÃO DE SISTEMAS DE REDUÇÃO DO CONSUMO

DE ÁGUA A UM BAIXO CUSTO

Clidenor Martiniano da Silva Júnior ([email protected])Felipe Augusto Trajano Gomes Júnior ([email protected])

Yurick Wênio Melo de Queiroz ([email protected])

Resumo: O uso da água potável se tornou indispensável para o consumo das pessoas nos dias atuais. Porém, este consumo desenfreado tem gerando danos irreversíveis a natureza, sendo na residência habitacional um dos locais com altos desperdícios. Dentre os “vilões” de consumo e desperdício em uma residência habitacional típica, o aparelho de chuveiro é considerado um dos principais. No favorecer da sociedade de renda baixa, e principalmente da natureza, o presente trabalho visa desenvolver um adaptador de redução de vazão no chuveiro e torneira a baixo custo, utilizando para este fi m, conexões tradicionais da instalação predial de água fria presente no atual mercado consumidor. A metodologia empregada, no atingir deste objetivo, é classifi cada com base em seus objetivos uma pesquisa exploratória e quanto aos seus procedimentos técnicos uma pesquisa bibliográfi ca e estudo de caso. Tais metodologias vieram a favorecer os parâmetros de análises da empregabilidade e viabilidade. Até o presente momento do estudo, este método se tornou viável fi nanceiramente. Outro fator relevante é que já existem no mercado nacional, redutores de fl uxo e chuveiros e torneiras com o mesmo objetivo de redução de vazão, porém com preços elevados para uma população de baixa renda, fi cando inacessíveis a esta tecnologia. Mas diferentemente do que há no mercado esse projeto busca uma maior redução da vazão a baixo custo tornando acessível à população em geral assim favorecendo a redução do consumo de água utilizada na residência como no manancial.Palavras-chave: Adaptador. Água fria. Economia.

Abstract: The use of drinking water has become indispensable for the consumption of people in the present day. However, this unbridled consumerism has irreversible damage to nature, being in the residence one of the places with high waste. Among the “villains” of consumption and waste in a typical residential dwelling, the shower apparatus is considered one of the main. In favor of the low-income society, and especially of nature, the present work aims to develop a low-cost shower and faucet fl ow reduction adapter, utilizing for this purpose, traditional connections of the cold water installation present in the current consumer market. The methodology employed, in achieving this objective, is classifi ed based on its objectives an exploratory research and as for its technical procedures a bibliographical research and case study. These methodologies have favored the parameters of employability and feasibility analysis. Until the present time of the study, this method has become fi nancially viable. Another relevant factor is that there are already in the national market, fl ow reducers and showers and taps with the same objective of fl ow reduction, but with high prices for a low income population, being inaccessible to this technology. More unlike that in the market, this project seeks a greater reduction of the fl ow at low cost making it accessible to the general population thus favoring the reduction of the consumption of water used in the residence as in the source.

INTRODUÇÃO

A utilização da água pelo homem ocorre desde o início da humanidade. Para que esse hábito saudável se tornasse menos degradante à natureza, foram necessários grandes avanços tecnológicos em diversas áre-as a fi m de reduzir, ou reusar este bem tão precioso que pertencente a todos os seres vivos existentes na Terra (LIMA, 1997)[1].

Revista FENEC - 1(2): 570-582, setembro, 2017 570


Clidenor M. da S. J.; Felipe A. T. G. J.; Yurick W. M. de Q. Utilização do princípio de Bernoulli para criação de sistemas de redução do consumo de água a um baixo custo.

Segundo Creder (2013), o consumo diário de litros de água per capita em uma residência e em um apar-tamento varia entre 150 e 200 (Figura 1). Entretanto, estes valores fixados são para fins acadêmicos de cálculos de estimativas de consumo e dimensionamento mínimo de tubos e reservatórios[2].

Figura 1. Distribuição do consumo de água em uma residência convencional

Por exemplo, a Organização das Nações Unidas - ONU (2015) recomenda um consumo diário de água para todas as atividades de 110 litros por pessoa, porém, se uma pessoa se banhar com duração de 05 minutos a uma vazão de projeto de 0,2 litros/segundo, prescrito na Norma ABNT NBR 5626/1998, geraria um consu-mo de 60 litros, mais da metade a ser consumida em um dia[3]. Além disso a poluição e o uso desordenado dos recursos hídricos, aos poucos, estão tornando a água imprópria para o consumo humano. Tanto o crescimento demográfico quanto o econômico multiplicam os usos das águas e fazem crescer sua demanda, diante de uma oferta inelástica. Sendo assim, torna-se cada vez mais necessário a criação de métodos e sistemas que possam reutilizar ou até mesmo diminuir o consumo de água visando assim uma melhor utilização desse recurso tão precioso para a vida humana.

1. BASE CONCEITUAL

Para a elaboração e compreensão do presente artigo se fez necessário um estudo mais aprofundado sobre algumas noções básicas da hidráulica e das normas que regem as instalações hidráulicas residenciais no Brasil.

1.1 Base normativa

As instalações hidráulicas residenciais precisam ser projetadas e executadas de acordo com a NBR 5626 de 1998, que tem por objetivo[4]:

y Garantir o fornecimento de água de forma contínua, em quantidade suficiente, com pressões e velo-cidades adequadas ao perfeito funcionamento das peças de utilização e do sistema de tubulações;

y Preservar rigorosamente a qualidade da água do sistema de abastecimento; y Preservar o máximo conforto dos usuários, incluindo-se a redução dos níveis de ruído.

1.2 Hidráulica

Hidráulica são todas as leis e comportamentos relativos à água ou outro fluido, sendo assim, Hidráulica é o estudo das características e uso dos fluidos sob pressão. Nesse artigo será utilizado o conceito de hidráuli-ca, onde poderá notar, através da mudança de pressão, uma diminuição significativa do desperdício de água.

1.2.1 Fluido

Pode-se definir fluido como uma substância que se deforma continuamente, isto é, escoa, sob ação de uma força tangencial por menor que ele seja (Figura 2).



Figura 2. Força tangencial agindo sobre um fluido

O conceito de fluidos envolve líquidos e gases, logo, é necessário distinguir estas duas classes: “Líqui-dos é aquela substância que adquire a forma do recipiente que a contém possuindo volume definido e, é prati-camente, incompressível. Já o gás é uma substância que ao preencher o recipiente não forma superfície livre e não tem volume definido, além de serem compressíveis (Figura 3).

Figura 3. Fluido Gás e Liquido

1.2.2 Pressão

A pressão, uma das grandezas mais importantes, é definida como a relação entre a força aplicada, per-pendicularmente, sobre uma superfície e a área dessa superfície. Para melhor entender o conceito considera-se: Um cilindro no vácuo cheio de fluido (Figura 4), fechado em uma extremidade e munido de um pistão em ou-tra, mantendo o fluido confinado no cilindro.

Figura 4. Esquema do cilindro para definição do conceito de pressão

O fluido age sobre toda a face do pistão, a reação é distribuída ao longo da face, gerando uma tensão normal que é uma medida da pressão do fluido sobre o pistão.



A unidade de pressão é definida pela relação entre as unidades de força e área, conforme na Equação 1:

(1)

Porém, para efeito de cálculo é importante conhecer também uma outra unidade de medida de pressão que é o m.c.a. - Metros de Coluna de Água. Usualmente utiliza-se o pascal, então para melhor compreensão, verifica-se a corelação entre Pa e m.c.a.: 1kgf/cm² é a pressão exercida por uma coluna com 10 metros de altu-ra, ou seja, 10 metros de coluna d’água (m.c.a.), ou 100.000 Pa (Figura 5).

Figura 5. Pressão em um sistema de água fria

1.2.3 Princípio de Bernoulli

O princípio de Bernoulli afirma que para um fluxo sem viscosidade, um aumento na velocidade do flui-do ocorre simultaneamente com uma diminuição na pressão ou uma diminuição na energia potencial do flui-do. Logo tem-se que, sendo A2 < A1, tem-se pela equação da continuidade que V2 > V1 (Figura 2.5). Pela equação de Bernoulli, resulta que P2 < P1. Então conclui-se que no trecho que a velocidade é maior, a pressão é menor (Equação 2). E esse é o efeito Bernoulli que será o ponto chave para compreensão e execução do se-guinte artigo.

(2)

Figura 6. Demonstração do efeito Bernoulli



2. METODOLOGIA

A pesquisa é um procedimento racional e sistemático tendo por objetivo solucionar os casos propostos, isto é, proporcionar as respostas aos problemas, descobrindo ou não novos fatos, correlações, dados, em qual-quer campo do conhecimento (GIL, 2004; MARCONI & LAKATOS, 2003)[5]. Porém, uma pesquisa não tra-balha somente em um único método, e sim, na junção entre eles (DE OLIVEIRA, 2004)[6].

De início serão analisados os itens de redução presentes no mercado, o seu funcionamento como tam-bém seu custo. Com base nessa análise, será dado início a elaboração de um projeto visando conseguir um de-sempenho similar ou maior, obviamente a um baixo custo, dos redutores presentes no mercado, e em seguida, analisando os conceitos da Hidráulica, depara-se com um princípio que relaciona a pressão com a velocidade do fluido, denominado principio de Bernoulli. Após estudo teórico desse princípio bem como o estudo da Hi-dráulica residencial, foi dado início a elaboração de uma peça que ao ser colocada no sistema hidráulico pro-porcionaria uma redução no consumo de água (Figura 7).

Para os testes, foi usado o laboratório do SENAI de Bayeux, bem como a casa de um dos integrantes que foi totalmente adaptada, com isso iniciaram-se os diversos testes, uns exploratórios e outros controlados, ambos serão demonstrados nos capítulos seguintes, resultando assim no que viria a ser o assunto do presente artigo.

Figura 7. Esboços iniciais da peça de redução e dos adaptadores.

3. ANTEPROJETO

3.1 Correlação física - Redutores

Pode-se entender o Princípio de Bernoulli da seguinte forma: “dentro de um fluxo de fluido horizontal, pontos de velocidade de fluido mais alta terão menos pressão que pontos de velocidade de fluido mais baixa”. Então, dentro de um tubo de água horizontal que varia de diâmetro, as regiões nas quais a água está se moven-do rápido terão menos pressão do que regiões nas quais a água está se movendo devagar. Neste sentido, quanto maior a velocidade menor será a pressão, quanto menor a velocidade maior será a pressão.

Em testes reais, fazendo a redução do diâmetro do tubo, há um ganho de velocidade, consequentemente a pressão cai. Se aumentar o diâmetro após a redução, o fluido será expelido, causando assim áreas vazias, si-tuadas próximas à saída do fluido.

Utilizando o princípio citado, o fluido vai ter certa velocidade, tendo assim, uma baixa pressão. E nas áreas vazias como não há velocidade, a pressão contida neste local é maior e tem sentido oposto à pressão do fluido. Tendo essa ideia em mente, percebeu que se aberto um orifício em uma dessas áreas iria ocorrer uma sucção do ar, ocasionado pela diferença de pressão (Figura 8).



Figura 8. Comportamento do fluido no redutor

3.2 Correlação física - Adaptadores

Graças a Bernoulli foi possível desenvolver um adaptador que funciona seguindo o mesmo princípio, o que difere esse adaptador é que a redução do diâmetro é feito por uma peça com dois furos na diagonal, assim, jogando a água para as laterais e criando uma área vazia com pressão entre os jatos de água, portanto, o orifício deve ser feito de maneira perpendicular aos dois furos, para que ocorra a sucção do ar. (Figura 9)

Figura 9. Comportamento do fluido no adaptador

4. DESENVOLVIMENTO E TESTES

4.1 Fase 1 - Utilização de redutores

Com os conceitos básicos de hidráulica e a Norma NBR 5626/98 foi desenvolvido uma redução (Figura 10) e posteriormente o adaptador para o chuveiro (Figura 11).

Figura 10. Adaptador de redução e aeração



Figura 11. Adaptador para Chuveiro

Figura 12. Fase de construção e montagem do sistema de acordo com a NBR 5626/98

Em seguida iniciaram-se os testes no laboratorio de hidraulica do SENAI - Centro de Form. Prof. José William Lemos Leal, em Bayeux, onde utilizando a NBR 5626/98 construímos um sistema de instalação pre-dial de água fria (Figura 12), onde a análise dessa estrutura está disposta nas tabelas (Tabela 1/2/3) a seguir:

Tabela 1.

Peça PesoChuveiro 0,4Lavatório 0,3

Pia de Cozinha 0,7

Tabela 2.

Soma dos Pesos Milímetro0 a 1,1 20

1.1 a 3,5 25



Tabela 3.

Utilização Estática Pressão Dinâmica (M.C.A.)Mín. Max.

Chuveiro 2 40Torneira 0,5 40

Após a instalação do sistema hidráulico começou-se a realizar os testes, nas imagens a seguir será visto o primeiro teste com o redutor (Figura 13) e sem o redutor (Figura 14).

Figura 13. Instalação de chuveiro de água fria sem o redutor

Figura 14. Instalação de chuveiro de água fria com o redutor

Logo em seguida foi dado início ao segundo teste, que diferente do primeiro, serviu para demonstrar a quantidade de água que poderia ser economizada em um mesmo sistema com uma mesma vazão, porém com o uso do redutor e sem o uso do redutor respectivamente, em um período de 22s (Figura 15). Nessa parte do teste ficou evidente o quão grande é o índice de redução de consumo obtido através da peça projetada.



Figura 15. Imagens da realização do Teste 2

Realizado outros testes adotando o sistema da Figura 6.6, conseguimos verificar os seguintes dados que estão dispostos na Tabela 4 a seguir.

Tabela 4.

Testes realizados com abertura de três voltas e meia no registro de pressão

E com...

Marcação do hidrômetro (LT’S) Duração do teste Porcentagem em relação

Inicial Final Tempo (min.)

Volume (Lt’s) Ao chuveiro A economia

Chuveiro PVC 942,920 975,480 01:00;29 32,560 100% 0%Chuveiro PVC com adaptador de redução do diâmetro 783,300 805,760 01:00;34 22,460 69% 31%

Chuveiro PVC com adaptador de redução do diâmetro e divisória sem furo

816,740 829,160 01:00;34 12,420 38% 62%

Chuveiro PVC com adaptador de redução do diâmetro, divisória e um furo

1016,080 1025,620 01:00;05 9,540 29% 71%

Chuveiro PVC com adaptador de redução do diâmetro, divisória e dois furos

910,340 921,820 01:00;36 11,480 35% 65%



4.2 Fase 2 - Utilização de adaptadores

Visando uma maior abrangência desse conceito de redução de consumo de água nos diversos equipa-mentos hidráulicos, foi desenvolvido um adaptador (Figura 16), que pode ser facilmente utilizado em qualquer equipamento hidráulico, feito com materiais simples e mais uma vez utilizando os conceitos da mecânica dos fluidos como base para o seu surpreendente desempenho.

Figura 16. Adaptador

Nesta segunda parte do projeto, agora com a utilização do adaptador, foram feitos alguns testes em tor-neiras (Figura 17) e chuveiros (Figura 18).

Figura 17. Adaptador em torneira convencional Figura 18. Adaptador em Chuveiro

Para os novos testes também foi adotado um novo sistema hidráulico, baseado em dois tubos com pressão e vazão iguais onde posteriormente utilizou-se um dispositivo sem adaptador e outro com adaptador (Figura 19).



Figura 19. Sistema hidráulico utilizado na fase dois dos testes

Definido o sistema hidráulico iniciou-se os testes em torneiras (Figura 20) e chuveiros (Figura 21).

Figura 20. Testes em torneiras Figura 21. Testes em chuveiros



A seguir serão apresentados os resultados obtidos através dos testes nos chuveiros (Figura 22) e nas tor-neiras (Figura 23):

Figura 22. Resultado dos testes realizado em torneiras com diferentes adaptadores

Figura 23. Resultados dos testes realizados com chuveiros com e sem o adaptador

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Este projeto visa demonstrar a importância da física no desenvolvimento de um produto que possui a fi-nalidade de reduzir o consumo de água gerada durante o banho, permitindo a qualquer pessoa ter acesso a essa tecnologia, devido ao seu custo e aos benefícios advindos da utilização deste produto. Diferente dos produtos oferecidos no mercado, o adaptador é um produto acessível para o público em geral devido ao baixo valor dos seus componentes.

Tudo isso sem perder uma boa sensação de conforto. Desta forma, a redução no desperdício de água aliado ao consumo consciente e a economia proporcionada traz, ao produto apresentado, uma maior eficiência quanto à utilização dos recursos hídricos, contribuindo desta forma para um meio ambiente ecologicamente equilibrado.

CONCLUSÕES

Este artigo demonstra, sobretudo, a importância de desenvolver produtos a baixo custo que possam ter a finalidade de reduzir o consumo de uma residência, utilizando os conceitos presentes no princípio de Ber-noulli. Diferente dos produtos oferecidos no mercado, o adaptador é um produto acessível para o público em geral, se comparado com os produtos oferecidos no mercado, onde o custo para adquiri-lo vai ser recuperado com a economia na conta d’água obtida que chega até 80%.



REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] LIMA, G. F. C. O debate da sustentabilidade na sociedade insustentável. Política & Trabalho, n. 13, p. 201-222, João Pessoa: PPGS/UFPB, 1997.

[2] CREDER, H. Instalações hidráulicas e sanitárias. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013.

[3] ORGANIZAÇÃO DAS NAÇÕES UNIDAS. Assembleia Geral das Nações Unidas. Relatório Mundial das Nações Unidas sobre o Desenvolvimento de Recursos Hídricos 2015. Disponível em: <https://veja.abril.com.br/noticia/ciencia/relatorio-da-onu-alerta-para-possivel-crise-mundial-de-agua>. Acesso em: 25 maio 2016.

[4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5626: Instalações prediais de água fria. Rio de Janeiro: ABNT, 1998.

[5] GIL, A. C. Como elaborar projetos de pesquisa. 4. ed. São Paulo: Atlas, 2004.

[5] MARCONI, M. A. & LAKATOS, E. M. Fundamentos de metodologia científica. 5. ed. São Paulo: Atlas, 2003.

[6] DE OLIVEIRA, S. L. Tratado de metodologia científica: projetos de pesquisas, TGI, TCC, monografias, dissertações e teses. 2. ed. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2004.

BOTELHO, M. H. C.; RIBEIRO, G. A. JR. Instalações Hidráulicas Prediais Feitas Para Durar (usando tubos de PVC). São Paulo: ProEditores, 1998.

SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL - SENAI. Instalador hidrosanitário. Campina Grande: SENAI/PB, 2011.

TIGRE, S.A TUBOS E CONEXÕES. Manual Técnico de Instalações hidráulicas e sanitárias. 2. ed. São Pau-lo: Pini, 1987.

YAZIGI, W. A Técnica de Edificar. 10. ed. revisada e atualizada. São Paulo: Pini, 2009.

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