PONTIFICIA UNIVERSIDADE CATOLICA DE MINAS GERAIS

2º RELATORIO - AULA PRATICA

CARNEIRO HIDRULICO

Alunos:

Alexandre Teixeira

Debora Alves

Marcia Rodrigues

Rafael Antônio

Belo Horizonte 2015

1. INTRODUÇÃO

1.1 Objetivo

Esta prática tem como objetivo mostrar o princípio de funcionamento, verificar a perda

acentuada de vazão e calcular os rendimentos volumétrico e hidráulico para um carneiro

hidráulico.

1.2 Conceituação teórica

1.2.1 Golpe de Ariete

Sob o nome de golpe de ariete é conhecido o conjunto de fenômenos que ocorrem nos

condutos forçados quando, por meio de apropriados dispositivos de regulagem, variamos a

vazão do escoamento da água ou qualquer outro líquido, e, consequentemente, sua

velocidade. Em tais circunstâncias, em virtude da transformação da energia cinética do fluido

em energia potencial, ocorrem variações da pressão interna nos tubos, variações estas que se

propagam velozmente ao longo do conduto, desde a válvula de controle até sua origem, de

onde retornam.

As leis que governam as variações da pressão e da vazão em condutos forçados transportando

fluidos líquidos estão intimamente ligados às condições sob as quais se efetuam os

escoamentos. Se o movimento for permanente, isto é, se a vazão, em qualquer seção

transversal, permanecer constante com o tempo, pode aplicar-se ao estudo do escoamento o

Teorema de Bernoulli. Porém, se o movimento não for permanente, ou seja, se a vazão, em

cada seção transversal, variar com o tempo, a equação de Bernoulli não pode ser aplicada ao

estudo do escoamento porque não mais sub-existem as correlações entre as pressões e

velocidades expressas no Teorema de Bernoulli.

No movimento não permanente a pressão interna em um conduto pode atingir valores

perigosamente elevados e romper os tubos, ou assumir valores extremamente baixos capazes

de provocar o colapso do sistema de tubulações, deformando-os plasticamente, ou de

determinar a ruptura da coluna líquida que perde, assim, sua continuidade.

Os efeitos provavelmente resultantes do golpe de ariete são de tal maneira graves que não

podemos negligenciá-los ao projetar tubulações, especialmente longas e , particularmente, se

vão funcionar sob pequenas cargas estáticas.

A ação do golpe de ariete pode assumir grande importância nas tubulações das usinas

hidrelétricas e nas de recalque das estações elevatórias porque, nestas, a falta de energia que

alimenta os motores elétricos, frequentemente, é causa de choques que danificam tubulações e

bombas.

1.2.2 Conceito conceitos teóricos relativos aos objetivos apresentados.

O carneiro hidráulico é um aparelho empregado para elevar água a alturas limitadas, não

utilizando nenhuma fonte de energia externa a não ser a própria energia de posição da água

disponível que se deseja elevar. Para tanto, o carneiro hidráulico utiliza-se do fenômeno do

golpe de ariete.

O carneiro hidráulico consta de uma câmara que armazena um certo volume de água e de ar.

Estando a câmara em comunicação direta com o tubo de recalque, a pressão dentro da mesma

é dada por Δh, com a coluna em repouso.

A câmara, pelo fundo, liga-se à tubulação de adução por meio de uma válvula basculante. Em

outro conjunto, desliza uma válvula dotada de furos em toda a sua periferia, furos pelos quais

verte a água do tubo de adução sempre que a válvula não está em sua posição de fechamento.

Para que o carneiro hidráulico possa funcionar, libera-se a válvula do corpo, colocando-a em

sua posição inferior (abertura total). Estabelece-se assim, um fluxo de reservatório na cota H

para o exterior, vertendo a água livremente, passando pelos orifícios da válvula . Sendo a

seção de escoamento formada pelos furos da válvula e pelo espaço que segue entre a mesma,

além da sede cônica, o regime de escoamento ali, antes que a água verta livremente, é forçado

sob forte aceleração da água. Essa aceleração implica redução de pressão, o que causa o

desequilíbrio da válvula, que é então, impelida para cima, com aceleração constante, uma vez

que na sua face inferior atua a pressão ΔH menos a redução devida à velocidade e perdas por

atrito. Tal pressão vence o peso da própria válvula mais a pressão na face superior (que é

baixa e se reduz à medida que a válvula sobe, estrangulando a seção de passagem).

Quando a válvula atinge o seu ponto superior, fica vedada a passagem de água e produz-se,

pelo fechamento brusco, um golpe de ariete. Esse golpe gera uma sobre-pressão local que se

propaga e atinge a válvula vizinha e força a mesma a abrir-se, dando entrada a um certo

volume de líquido para dentro da câmara. Esse volume admitido efetua um trabalho de

compressão do ar, ali aprisionado, aumentando a pressão dentro da câmara. Assim, como a

sobre-pressão foi aliviada devido ao escapamento de parte do fluido para a câmara, a

diferença de pressões obriga o fechamento da válvula. O ar comprimido na parte superior do

reservatório reage expandindo-se e expulsa o excesso de água admitido pela tubulação de

recalque.

Enquanto isso, à sobre-pressão na válvula segue-se uma depressão devido ao fluxo em sentido

contrário que o fenômeno causou. A válvula, que fechava a passagem no ponto superior, cai

obrigada pelo seu peso próprio e pela pressão atmosférica, que venceu a depressão criada na

sua face inferior. Com a queda da válvula, a passagem livre para a água fica novamente aberta

e o ciclo recomeça, voltando a haver fluxo direto.

1.3 Desenvolvimento

1.3.1 Procedimento experimental

A experiência consistiu em variar o curso da válvula, através do posicionamento da porca na haste rosqueada, e medir a variação do nível de água tanto no reservatório de recalque quanto no reservatório de perdas volumétricas, num período de tempo determinado.

Com o resultado da medição, podemos então calcular a vazão recalcada (q) e a perdas volumétricas (q’), da seguinte forma:

q = SR x hR / t

q’ = SP x hP / t ,

Onde:

SR é a área do reservatório de recalque; hR é a variação do nível de água no reservatório de recalque;

SP é a área do reservatório de perdas volumétricas; hP é a variação do nível de água no reservatório de perdas volumétricas.

Podemos calcular também a vazão total, o rendimento volumétrico e o rendimento energético:

Q = q + q’

v = q / Q

t = q h / Q H

Para a obtenção dos dados foram feitas cinco medições, girando-se a porca de uma volta na primeira medição e girando-se de meia volta nas medições consecutivas.

1.3.2 Equipamentos

O Carneiro Hidráulico ao ser instalado tem a Válvula de Impulso (2) fechada pela

ação da pressão da água do tubo de alimentação (1), para iniciar a operação do

carneiro basta abrir manualmente a Válvula de Impulso, a partir daí o funcionamento

do carneiro hidráulico se torna automático. O seu funcionamento é interrompido

quando se fecha a válvula de Impulso.

A queda de água (h) e a vazão de água (Q) disponíveis no sistema são os fatores que

influenciam na escolha do tamanho do carneiro hidráulico.

A quantidade de água aproveitada, (q), será função do tamanho do carneiro e da

relação entre a queda disponível e a altura de recalque. (h/H).

A tabela 1 fornece diâmetros de alimentação e de recalque necessários em função da

quantidade de água (Q) disponível.

A tabela 2, fornece a porcentagem de água (R) a ser aproveitada em função da relação

entre a queda disponível e a altura de recalque (h/H).

Inicialmente está mesma pressão força a abertura da válvula de recalque (3), que

permite a entrada de água na câmara de ar (4). Desta forma o ar contido dentro da

câmara de ar é comprimido até que as pressões se igualem. Quando isso ocorre o

Carneiro Hidráulico já pode iniciar seu funcionamento.

Para colocá-lo em funcionamento, basta acionar algumas vezes a válvula de impulso

(2).

Com a válvula de impulso aberta a água começa a sair em pequenos esguichos até que,

com o aumento da velocidade da água, ocorre o seu fechamento.

A água que tinha uma velocidade crescente sofre uma interrupção brusca, causando

um surto de pressão ou “Golpe de Aríete”, que irá percorrer todo o carneiro e todo o

tubo de alimentação (1).

Esse surto de pressão provoca a abertura da válvula de recalque (3), permitindo assim

a entrada de água na câmara de ar (4). A medida que o ar contido no interior da

câmara vai sendo comprimido, uma resistência à entrada da água vai aumentando, até

que a pressão no interior fique pouco superior e provoque o fechamento da válvula de

recalque (3). A água contida no interior da câmara, impedida de retornar ao corpo do

carneiro só tem como saída o tudo de recalque.

Em momento posterior ocorre a formação de uma onda de pressão negativa que

provoca a abertura da válvula de impulso (2), dando condições para a ocorrência de

um novo ciclo. Com a ocorrência de ciclos sucessivos, á água começa a encher o tubo

de recalque (3) e sua elevação ocorre a medida que o ar da câmara (4) fica

comprimido.

1.3.3 Itens e formulas utilizada para preenchimento da folha de teste:

O curso da válvula é determinado pelo posicionamento da porca na haste rosqueada.

O passo da rosca foi de 1,25 mm;

O número de voltas da porca na haste foi de 1 a 3 voltas;

Formulas utilizada para calculo: q = S7 x h7 / t; q’ = S8 x h8 / t; Q = q + q’; ηt = q

x h / Q x H; ηv = q / Q

- S7 = área da base do tanque 7(S7 = 1.632 cm2 ); S8 = área da base do tanque 7 (S8

= 3.706 cm2);

h = altura de elevação da água (h = 3,85 m); H = altura de queda disponível (H =

1,85 m).

1.2 Análises de dados

A tabela abaixo indica os dados obtidos em laboratório e depois feitos seus cálculos.

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00 -

10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00

nt x Abertura

nt x Abertura

TESTE DO CARNEIRO

Voltas

Abertura da

válvula

Curso da

válvulaTempo

Variação do nível do tq 7

Volume do tq 7

Variação do nível do tq 8

Volume do tq 8

Vazão recalcada

Vazão perdida

Vazão aduzida

Rendimento volumétrico

A C (t) (h7) (V7) (h8) (V8) (q) (q') (Q) (ɳv)n % mm min cm cm³ cm cm³ l/min l/min l/min %

1,00 33,

33 1,

25 5,00

5,20

8.486,40

5,10

18.900,60

141,44

315,01

456,45

30,99

2,00 66,

67 2,

50 5,00

13,50

22.032,00

14,10

52.254,60

367,20

870,91

1.238,11

29,66

3,00 100,0

0 3,

75 5,00

17,40

28.396,80

24,40

90.426,40

473,28

1.507,11

1.980,39

23,90

1.4 Conclusão

O volume de ar contido na câmara não pode ser muito pequena, para que sua variação

de volume dentro dos níveis de pressão extremas a que é submetido permita uma vazão

satisfatório por ciclo.

A distância do reservatório de origem até o carneiro hidráulico não pode ser muito

pequena, a fim de que a onda de sobrepressão não encontre menor resistência para se

propagar pelo tubo do que para abrir a válvula (V1).

Outra consideração importante que se deve fazer a respeito do carneiro hidráulico é o

fato de apresentarem baixo rendimento volumétrico. Como ocorre uma perda considerável de

vazão, apesar de conseguir elevações de nível que podem superar até 8 vezes a queda

disponível, o rendimento total da conversão de energia de um carneiro hidráulico é baixo.

O ponto de máximo rendimento é o de 1,5 voltas.

1.5 Bibliografia

SILVA, Tadeu Hudson da, Mecânica dos Fluidos e Fenômenos de Transporte

Fumarc, Belo Horizonte, 1996

FOX, Robert W. e Alan T. MacDonald, Introdução à Mecânica dos Fluidos

Editora Guanabara Koogan S.A, 1992

Silvestre, Paschoal, Golpe de Ariete

UFMG, Belo Horizonte, 1989