CARNEIRO HIDRÁULICO - ARÍETE - FEIRA DE CIÊNCIAS ..

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Golpe de arete(Carneiro hidráulico)

Prof. Luiz Ferraz [email protected]

(revisado e ampliado em 27/10/2011)

Apresentaão

A bomba “carneiro”, ou carneiro hidráulico é um dispositivo automático elevador de água. Seu princípio defuncionamento é simples. Um fluxo de água atravessa o corpo do mecanismo e, quando a velocidade dessefluxo atinge um valor adequado, uma válvula o interrompe abruptamente. A energia cinética da água toda(não só a do corpo da bomba, como também aquela da canalização) determina no corpo da bomba umviolento golpe. Esse golpe é suficiente para empurrar uma certa quantidade de água a uma boa altura,sendo recolhida numa caixa d’água. A bomba carneiro transforma energia cinética da água em energiapotencial. Seu rendimento hidráulico é pequeno.

Um pouco de teoria

Se em um conduto (tubulação, cano) que está sendo percorrido por um liquido com uma certa velocidade,interrompermos total ou parcialmente o movimento desse liquido de uma maneira instantânea, no trechoaquém de onde ocorreu o fechamento, teremos necessariamente a anulação ou diminuição da velocidadedo liquido. Se o liquido fosse incompressível e o conduto indeformável e, ainda, se a interrupção ocorresserealmente instantaneamente, a energia cinética do liquido deveria anular-se, também instantaneamente,transformando-se em uma sobrepressão de valor extremamente elevado no trecho do conduto em questão.

Na realidade a interrupção não é instantânea, o liquido é sempre compressível (se bem que em valores bemlimitados) e ainda, também o conduto é ligeiramente deformável e dotado de uma certa elasticidade; asobrepressão acima referida, portanto, se mantém sempre de valor finito e calculável. A coluna de líquido(geralmente, água) localizada aquém da seção na qual se verifica o brusco fechamento, não para todainstantaneamente, mas sim progressivamente. Existe portanto uma exata seção de separação entre o trechode coluna liquida já parada, na qual a pressão vai aumentando e o resto do liquido ainda em movimento, quevai comprimindo-se sobre o liquido já parado. Após todo o liquido ter parado, as camadas maiscomprimidas reagem elasticamente, pelo que se cria movimento do liquido em sentido inverso e umaprogressiva diminuição da pressão de 'cima a baixo'. O fenômeno se repete diversas vezes, até que termina,por efeito dos atritos internos.Ele toma o nome de golpe de aríete, e é o único caso na hidráulica em que se deve levar em conta a

compressibilidade dos líquidos.O período de oscilação vem expresso por: T = 4.L/v, onde L é o comprimento do conduto, v é a velocidadede propagação da perturbação no seio do liquido.

Se o fechamento é repentino, em todas as seções do conduto gera-se uma sobrepressão p = v.vo /g, ondevo é a velocidade do liquido no conduto antes do inicio da manobra e g é a aceleração local da gravidade.Se o fechamento é brusco, ou seja, dura um tempo inferior a 2.L/v, a sobrepressão p referida é alcançadaapenas em um primeiro trecho do conduto, perto do fechamento, enquanto que no trecho mais afastado nãoalcança valores tão elevados. Se o fechamento ocorre lentamente, ou seja em um tempo maior que 2.L/v a

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so repress o em nen uma seç o o con u o a cança o va or p ac ma n ca o.

O valor da velocidade de propagação da perturbação nos grandes condutos hidráulicos gira entre 600 a 700

m/s; mas às vezes supera os 1100 m/s, ou seja, se aproxima da velocidade do som na água.

Na pratica o problema do golpe de aríete se apresenta nas manobras de abertura e fechamento do

distribuidor das turbinas hidráulicas e nas paradas das bombas de elevação. Nestes casos o tempo defechamento deve ser entendido não em sentido absoluto, mas referido ao tempo de propagação de uma

onda de pressão ao longo do conduto e a sua reflexão ao ponto de partida. Portanto, um fechamento quepode supor-se lento para um conduto de pequeno cumprimento pode tornar-se rápido demais para um

conduto de comprimento notável. No caso das turbinas hidráulicas, o aumento de pressão que se determinana água em seguida ao fechamento, contrastaria com o próprio movimento de fechamento. O fenômeno

pode verificar-se, se bem que de uma maneira menos grave, no momento da abertura do conduto, porque adepressão que se gera provoca também uma onda de sobrepressão de retorno.

O caso mais grave se apresenta indubitavelmente quando se deve cessar bruscamente a distribuição dapotencia, porque é improvisadamente cessada a solicitação, ou para verificar-se um defeito, acidente, etc.

Neste caso é necessário cessar rapidamente a alimentação da turbina. Porém, independentemente dessesartifícios, o tempo de fechamento para evitar sobrepressões é tanto maior quanto maior for o conduto.Devido a isso convém, as vezes, subdividir este em dois trechos separados por um poço piezométrico, ou

seja, por uma bacia na qual a água seja livre para oscilar; dessa maneira se impede as ondas de pressãode continuar no trecho do conduto acima do poço.

Se a massa de água do poço fosse infinita, ela se manteria em nível constante e a pressão naquela seçãonão variaria. Já que, ao contrario, a massa de água do poço é limitada, ela também sofre inevitavelmente

movimentos de oscilação que se traduzem em aumento e diminuição periódicos de nível. O fenômeno resultaainda amortecido pela ação dissipadora das resistências ao movimento. A determinação da grandeza do

poço, na pratica, é o fruto do compromisso entre a existência da máxima regulagem do movimento daságuas nas condições mais graves e a necessidade de conter economicamente as despesas. Em cada

caso, para as manobras de fechamento das turbinas hidráulicas usam-se também outros sistemas paradiminuir o golpe de aríete, ou seja: o desviador do jato para turbinas Pelton e as descargas síncronas para

turbinas de reação. Ambos estes sistemas são próprios para desviar o jato de água diretamente do condutopara a descarga em um tempo muito curto, de maneira que a turbina seja descarregada; enquanto

sucessivamente se providenciará o lento fechamento do conduto contendo, da maneira mais adequada, assobrepressões. A manobra de fechamento do conduto normalmente possui um comportamento linear, ou

seja, a área da seção de afluxo possui um comportamento decrescente com o tempo.

O fenômeno do golpe de aríete pode ser verificado também nas tubulações alimentadas por bombashidráulicas, seja pela manobra da válvula, seja pela variação da velocidade da maquina. O caso mais grave

ocorre pela eventual parada imprevista do motor de tração alimentado, normalmente, com energia elétrica.Neste caso intervém dispositivos automáticos que promovem o fechamento da válvula antes que se

determine o refluxo das águas no conduto em sentido à bomba. No movimento de fechamento da válvulaocorre uma depressão que se propaga da válvula até a extremidade do conduto, a qual segue uma fase de

sobrepressão em sentido inverso.Do ponto de vista prático o problema é complicado pelo fato que, para as bombas, não existe um dispositivo

equivalente ao defletor, ou à descarga síncrona da turbina, pela qual não se pode obter a independência do

tempo de parada das máquinas, do tempo de parada da vazão do conduto.Se as dimensões da instalação permitem, também neste caso, se intercala em uma seção do conduto umpoço piezométrico, cuja variação de nível é própria para absorver as variações da vazão do conduto.

Todavia, raramente é conveniente economicamente, uma instalação desse tipo, pelo que geralmente serecorre as caixas de ar, ou seja ambientes que contém volume de água acima do qual se mantém uma certa

quantidade de ar. Comparecem, assim, fenomenos de movimentos diversos do conjunto, provocados pelavariação do nível do liquido, contrastados pela compressão do ar contido na câmara. Na prática, para

pequenas vazões e condutos muito longos, é conveniente o uso de caixas de ar, enquanto que para vazõesmuito grandes ou médias (aproximadamente 50 metros de água) são mais convenientes os poços

piezométricos. Porém para as vazões máximas, para as quais normalmente as alturas de elevação sãolimitadas, não é possível a realização do poço piezométrico, enquanto as caixas de ar seriam inadequadas.

Neste caso, não resta outro recurso para regularizar o movimento da água no conduto, que aumentar omomento de inércia das massas em movimento.

Montagens didticas

A montagem didática a seguir põe em destaque esse golpe de aríete devido à brusca Interrupção do

movimento da água e a sua conseqüente elevação.





Nota: Em pesquisa sobre o carneiro hidráulico encontrei um excelente artigo -- Carneiro Hidráulico - Resgate

Secular -- que o Prof. Luiz Roberto Toledo apresenta nas páginas do Globo Rural (outubro de 1997),

descrevendo o trabalho do Prof. Luiz Antonio Lima e do ps-graduando (à época) Antonio Carlos Barreto,da Universidade de Lavras - MG. Tentei por várias vezes entrar em contato com Luiz Roberto Toledo

(através da Revista), sem sucesso, infelizmente. Esse artigo eu reproduzo (três páginas da Revista GloboRural de Outubro de 97) depois desse meu modesto trabalho didático sobre o tema.

Material e Montagem

(a) Cortar a garrafa PET de refrigerante na posição indicada. Veja item (a) do projeto 56- Turbina à

reaão, nessa Sala.

(b) Amarre 3 fios de linha de pesca no gargalo da garrafa. Passe suas extremidades livres pelos orifíciossimétricos feitos na borda recém-cortada da garrafa e a seguir una-os em um s fio de pesca. Fixe o

sistema a um suporte. Na boca da garrafa adapte uma rolha de borracha com 1 furo (ou, a prpria tampacom furo central).

(c) Pelo orifício da rolha (ou tampa) passe um dos ramos de um cotovelo de vidro (ou canudo de refresco

dobrável). Adapte um tubo de vidro em forma de T (junção T) a esse cotovelo, mediante um tubinho de látex.

Um tubo de vidro de extremidade afilada (tipo conta-gotas reto) é preso (mediante látex) a perna central doT. Outro pedaço de tubo de látex é encaixado na extremidade livre do T.

(d) Adapte o conjunto (c) na boca da garrafa e, apertando com os dedos o tubinho de látex livre, encha agarrafa com água. Quando cheia, solte o tubinho de látex permitindo o escoamento de água.

Aperte rapidamente esse tubinho, para Interromper bruscamente a saída de água e fazer surgir o golpe de

aríete. Repare na elevação da água na perna central do T. Na bomba carneiro real, esse estrangulamento éfeito automaticamente. Veja, você aproveitou-se da prpria energia da água para fazer subir água!

Um projeto didático completo

A montagem abaixo ilustra um projeto didático completo para descrever e operar o Carneiro Hidráulico;uma excelente sugestão para Feira de Ciências.





As válvulas de entrega e de desperdício são feitas com esfera de aço (rolamentos) vedando compartimentocnico.Na válvula de desperdício o vértice do cone está 'para cima', na saída de água [ /O ] e a esfera repousa

sobre uma tela logo abaixo (quando a pressão diminui --- pela velocidade de escoamento --- a esfera ésugada e fecha essa saída).

Na válvula de entrega o cone está com o vértice 'para baixo' [ O/ ] e a esfera está vedando a entrada de

água na garrafa de compressão. Quando a válvula de desperdício se fecha, a onda de compressão levanta

a esfera da válvula de entrega, permitindo a entrada de água na garrafa de compressão.Quando a pressão do ar na garrafa se iguala à pressão da água na válvula de entrega, a esfera desce e

veda a comunicação. Na fase seguinte é a pressão do ar dentro da garrafa que, superando a pressão dacoluna de água no tubo de saída, permite a passagem de água da garrafa para o reservatório superior.

Um modo de ilustrar como o ar comprimido na garrafa 'empurra' a água de seu interior para o reservatóriopode ser evidenciado pela seguinte montagem didática (meu protótipo foi feito com duas garrafas PET de 2

litros; as próprias tampas foram furadas para permitirem as passagens dos tubos plásticos):

De início a água do béquer enche o funil; a pressão exercida por essa coluna de água vence a pressão do ar

no interior da garrafa B e desce; o nível de água na garrafa B aumenta e comprime o ar da garrafa B; apressão desse ar comprimido transfere-se para a garrafa A, forçando a água de A transferir-se para a

garrafa B via funil --- e o processo continua 'por conta própria'. Uma festa!Você reconheceu que montagem é essa? Não! Ora, .... é a fonte de Heron! Apenas o prato que recolhe a

água (no modelo tradicional) foi 'trocado' pelo funil e o tubo que 'esguicha' a água para cima transformou-se





, .

Montagem de um real Carneiro Hidrulico

Sobre a montagem de um real Carneiro Hidráulico, reproduzo abaixo um excelente artigo.

Reprodução em formato .jpg de trs páginas da Revista Globo Rural de Outubro de 1997





Aos amigos que desfrutarem desse trabalho, apreciaria comentários sobre essas "válvulas de retençãovertical" (lista de material itens e ), detalhando seu funcionamento, indicando locais prováveis para

adquirir tais válvulas (eis porque tentei várias vezes entrar em contato com os autores do trabalho) e,possivelmente, um 'modo caseiro' de produzi-las.

Antecipo agradecimentos.

Lo-Luiz Ferraz Netto - [email protected]

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Com satisfação recebi algumas mensagens relativas ao parágrafo acima (válvulas de retenção). Agradeçoa todos.

Abaixo coloco a cópia de uma dessas gratas e carinhosas mensagens:

"Caro professor,

Sou engenheiro e quero parabenizá-lo pelo excelente trabalho realizado em seu site feira de ciências, tenho certeza que é de

grande valia para professores em sua preparação de aula.

No artigo sobre golpe de aríete, que no momento estou verificando, pois pretendo elevar uma pequena quantidade de água em um

sítio, deparei com sua questão sobre as válvulas de retenção. Estou anexando um arquivo com o catálogo do fabricante

Metalrgica Ipê [ www.mipel.com.br ] que traz os modelos utilizados no artigo da revista Globo Rural. Pode ser que este assunto

já tenha sido esclarecido mas fica uma pequena contribuição para seu trabalho. Estas válvulas são facilmente encontradas, pelo

menos em São Paulo onde resido, na Rua Florêncio de Abreu no centro da cidade mas o fabricante pode informar outros

endereços.

Roberto Wenke Filho"

Nota: O arquivo anexado, referido no texto do amigo Roberto, pode ser 'baixado' do próprio site daMetalrgica Ipê.

Mais detalhes e informações sobre o Carneiro Hidráulico serão sempre bem vindas.

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Mais informações acabaram de chegar, indicando outro local de compra de tais válvulas de retenção

horizontais e verticais [ www.balaroti.com.br ]. 'Salgadinhos' os preços, não?! Eis os visuais:

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Novas contribuições, indicam (e eu endosso e agradeço) os seguintes links sobre o tema "CarneiroHidráulico" e "Golpe de Aríete":

hp://.hidoeco.com.b/ebook-caneio-hidalico.ap

hp://.cee.nicamp.b/ebdida/madida.php?cod=ST713&nome=Aioaldo+Joe+da+Sila

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