Leakage and energy in water supply systemas : an experimental approach

Abstract

Resumo: Vazamentos em redes de distribuição de água potável vêm causando perdas significativas de água e energia, especialmente nos países em desenvolvimento. Os impactos dos vazamentos sobre a performance dos sistemas são principalmente causados pelo aumento do bombeamento de água, necessário para suprir a demanda usual adicionada de fluxos de vazamentos. A vazão extra implica em maiores quantidades de energia, aumento das perdas contínuas pelo atrito e condições de operação desbalanceadas, que causam ineficiência no sistema. Nesse contexto, para conter o aumento de vazamentos nas redes de distribuição é necessário entender suas causas, características e consequências. Na presente pesquisa é desenvolvida uma intensa investigação experimental acerca de vazamentos por orifícios em um sistema de distribuição em laboratório. O foco da abordagem experimental foi desenvolver relações entre as características dos vazamentos, a hidráulica do sistema e o balanço energético do sistema. Experimentos incorporando tantos aspectos das redes de distribuição são raros na literatura, pois tradicionalmente o interesse de pesquisadores sobre a hidráulica dos vazamentos ofuscou os impactos sobre a eficiência energética do sistema. De forma inesperada, os resultados demonstraram que o conhecimento da hidráulica de vazamentos em redes de distribuição de água ainda requer mais estudos, de modo a quantificar de forma confiável as vazões de vazamento em modelos hidráulicos dos sistemas. Os experimentos com orifícios apontam que o principal avanço necessário consiste da incorporação dos regimes de escoamento nas equações que descrevem o comportamento hidráulico dos vazamentos. Os resultados acerca de impactos de vazamentos no balanço de energia demonstraram que o aumento de vazamento causou maior ineficiência, o que significa que maiores quantidades de energia foram necessárias para atender condições similares de demanda na presença de vazamentos. Entretanto, a análise de componentes individuais das perdas de energia (e.g. perdas por atrito, perdas nas bombas hidráulicas) apontou para diferentes taxas de variação de acordo com as vazões de vazamento. Algumas componentes individuais do sistema inclusive apresentaram maior eficiência para condições de vazamento. Destaca-se que as relações desenvolvidas neste trabalho estão vinculadas ao sistema de laboratório empregado, porém, tais resultados têm grande potencial para guiar novos estudos em outros sistemas.

Abstract: Leakage in drinkable water distribution systems have been causing significant water and energy losses, especially in developing countries. The leakage impacts over the systems performance are mainly addressed to the increase of pumped flows required to supply the usual demand and additional leakage flows. The extra flow implies in greater input energy, higher friction losses and a general unbalance of the system operational conditions, which cause inefficiency. In such a context, to address the increase of leakage in water networks it is necessary to understand its causes, characteristics and consequences. In this research an intensive experimental investigation was performed regarding leakage through round hole orifices in a laboratory pipe system. The focus of the experimental approach was developing relationships between the leakage characteristics, the system hydraulics and the system's energy balance. Such a holistic experiment is rare in literature, specially because the leakage water losses traditionally draw the researchers attention to hydraulics, leaving aside impacts in efficiency and energy losses. Unexpectedly, the results show that the understanding about leakage hydraulics in water distribution systems still needs improvement, in order to better quantify leakage flows and develop reliable hydraulic models. The experiments with round orifice leaks pointed out that the required advances are mainly addressed to the leakage flow regime, which is usually adopted as a complete developed turbulent flow. Since this assumption was not necessarily verified in the experimental data analysis, better efforts are needed to understand the impacts of different leakage Reynolds numbers in leakage flows. Results regarding the leakage impacts in the system energy balance have shown that the increase of leakage have caused a greater inefficiency, which means that large amounts of energy were required to supply similar demand conditions in the presence of larger leakage flows. However, the analysis of individual components of systems energy losses (e.g. continuum head losses, local leakage head loss, hydraulic pump energy losses) points to different sensibility levels according to leakage conditions, which sometimes could even show better performance for higher leakage. It is important to note that the relationships developed in this research are binded to the laboratory system employed, but could guide further research in other systems.