CARNEIRO HIDRÁULICO - ARÍETE - FEIRA DE CIÊNCIAS

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CARNEIRO HIDRULICO - AR ETE - FEIRA DE CINCIAS ... O Imperdv

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Golpe de ar ete(Carneiro

hidrulico)Prof. Luiz Ferraz Netto leobarretos@uol.com.br (revisado e ampliado em 27/10/2011)

Apresenta o A bomba carneiro, ou carneiro hidrulico um dispositivo automtico elevador de gua. Seu princpio de funcionamento simples. Um fluxo de gua atravessa o corpo do mecanismo e, quando a velocidade desse fluxo atinge um valor adequado, uma vlvula o interrompe abruptamente. A energia cintica da gua toda (no s a do corpo da bomba, como tambm aquela da canalizao) determina no corpo da bomba um violento golpe. Esse golpe suficiente para empurrar uma certa quantidade de gua a uma boa altura, sendo recolhida numa caixa dgua. A bomba carneiro transforma energia cintica da gua em energia potencial. Seu rendimento hidrulico pequeno. Um pouco de teoria Se em um conduto (tubulao, cano) que est sendo percorrido por um liquido com uma certa velocidade, interrompermos total ou parcialmente o movimento desse liquido de uma maneira instantnea, no trecho aqum de onde ocorreu o fechamento, teremos necessariamente a anulao ou diminuio da velocidade do liquido. Se o liquido fosse incompressvel e o conduto indeformvel e, ainda, se a interrupo ocorresse realmente instantaneamente, a energia cintica do liquido deveria anular-se, tambm instantaneamente, transformando-se em uma sobrepresso de valor extremamente elevado no trecho do conduto em questo. Na realidade a interrupo no instantnea, o liquido sempre compressvel (se bem que em valores bem limitados) e ainda, tambm o conduto ligeiramente deformvel e dotado de uma certa elasticidade; a sobrepresso acima referida, portanto, se mantm sempre de valor finito e calculvel. A coluna de lquido (geralmente, gua) localizada aqum da seo na qual se verifica o brusco fechamento, no para toda instantaneamente, mas sim progressivamente. Existe portanto uma exata seo de separao entre o trecho de coluna liquida j parada, na qual a presso vai aumentando e o resto do liquido ainda em movimento, que vai comprimindo-se sobre o liquido j parado. Aps todo o liquido ter parado, as camadas mais comprimidas reagem elasticamente, pelo que se cria movimento do liquido em sentido inverso e uma progressiva diminuio da presso de 'cima a baixo'. O fenmeno se repete diversas vezes, at que termina, por efeito dos atritos internos. Ele toma o nome de golpe de arete, e o nico caso na hidrulica em que se deve levar em conta a compressibilidade dos lquidos. O perodo de oscilao vem expresso por: T = 4.L/v, onde L o comprimento do conduto, v a velocidade de propagao da perturbao no seio do liquido. Se o fechamento repentino, em todas as sees do conduto gera-se uma sobrepresso p = v.vo/g, onde vo a velocidade do liquido no conduto antes do inicio da manobra e g a acelerao local da gravidade. Se o fechamento brusco, ou seja, dura um tempo inferior a 2.L/v, a sobrepresso p referida alcanada apenas em um primeiro trecho do conduto, perto do fechamento, enquanto que no trecho mais afastado no alcana valores to elevados. Se o fechamento ocorre lentamente, ou seja em um tempo maior que 2.L/v a sobrepresso em nenhuma seo do conduto alcana o valor p acima indicado. www.feiradeciencias.com.br/sala07/07_57.asp

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sobrepresso em nenhuma seo do conduto alcana o valor p acima indicado. O valor da velocidade de propagao da perturbao nos grandes condutos hidrulicos gira entre 600 a 700 m/s; mas s vezes supera os 1100 m/s, ou seja, se aproxima da velocidade do som na gua. Na pratica o problema do golpe de arete se apresenta nas manobras de abertura e fechamento do distribuidor das turbinas hidrulicas e nas paradas das bombas de elevao. Nestes casos o tempo de fechamento deve ser entendido no em sentido absoluto, mas referido ao tempo de propagao de uma onda de presso ao longo do conduto e a sua reflexo ao ponto de partida. Portanto, um fechamento que pode supor-se lento para um conduto de pequeno cumprimento pode tornar-se rpido demais para um conduto de comprimento notvel. No caso das turbinas hidrulicas, o aumento de presso que se determina na gua em seguida ao fechamento, contrastaria com o prprio movimento de fechamento. O fenmeno pode verificar-se, se bem que de uma maneira menos grave, no momento da abertura do conduto, porque a depresso que se gera provoca tambm uma onda de sobrepresso de retorno. O caso mais grave se apresenta indubitavelmente quando se deve cessar bruscamente a distribuio da potencia, porque improvisadamente cessada a solicitao, ou para verificar-se um defeito, acidente, etc. Neste caso necessrio cessar rapidamente a alimentao da turbina. Porm, independentemente desses artifcios, o tempo de fechamento para evitar sobrepresses tanto maior quanto maior for o conduto. Devido a isso convm, as vezes, subdividir este em dois trechos separados por um poo piezomtrico, ou seja, por uma bacia na qual a gua seja livre para oscilar; dessa maneira se impede as ondas de presso de continuar no trecho do conduto acima do poo. Se a massa de gua do poo fosse infinita, ela se manteria em nvel constante e a presso naquela seo no variaria. J que, ao contrario, a massa de gua do poo limitada, ela tambm sofre inevitavelmente movimentos de oscilao que se traduzem em aumento e diminuio peridicos de nvel. O fenmeno resulta ainda amortecido pela ao dissipadora das resistncias ao movimento. A determinao da grandeza do poo, na pratica, o fruto do compromisso entre a existncia da mxima regulagem do movimento das guas nas condies mais graves e a necessidade de conter economicamente as despesas. Em cada caso, para as manobras de fechamento das turbinas hidrulicas usam-se tambm outros sistemas para diminuir o golpe de arete, ou seja: o desviador do jato para turbinas Pelton e as descargas sncronas para turbinas de reao. Ambos estes sistemas so prprios para desviar o jato de gua diretamente do conduto para a descarga em um tempo muito curto, de maneira que a turbina seja descarregada; enquanto sucessivamente se providenciar o lento fechamento do conduto contendo, da maneira mais adequada, as sobrepresses. A manobra de fechamento do conduto normalmente possui um comportamento linear, ou seja, a rea da seo de afluxo possui um comportamento decrescente com o tempo. O fenmeno do golpe de arete pode ser verificado tambm nas tubulaes alimentadas por bombas hidrulicas, seja pela manobra da vlvula, seja pela variao da velocidade da maquina. O caso mais grave ocorre pela eventual parada imprevista do motor de trao alimentado, normalmente, com energia eltrica. Neste caso intervm dispositivos automticos que promovem o fechamento da vlvula antes que se determine o refluxo das guas no conduto em sentido bomba. No movimento de fechamento da vlvula ocorre uma depresso que se propaga da vlvula at a extremidade do conduto, a qual segue uma fase de sobrepresso em sentido inverso. Do ponto de vista prtico o problema complicado pelo fato que, para as bombas, no existe um dispositivo equivalente ao defletor, ou descarga sncrona da turbina, pela qual no se pode obter a independncia do tempo de parada das mquinas, do tempo de parada da vazo do conduto. Se as dimenses da instalao permitem, tambm neste caso, se intercala em uma seo do conduto um poo piezomtrico, cuja variao de nvel prpria para absorver as variaes da vazo do conduto. Todavia, raramente conveniente economicamente, uma instalao desse tipo, pelo que geralmente se recorre as caixas de ar, ou seja ambientes que contm volume de gua acima do qual se mantm uma certa quantidade de ar. Comparecem, assim, fenomenos de movimentos diversos do conjunto, provocados pela variao do nvel do liquido, contrastados pela compresso do ar contido na cmara. Na prtica, para pequenas vazes e condutos muito longos, conveniente o uso de caixas de ar, enquanto que para vazes muito grandes ou mdias (aproximadamente 50 metros de gua) so mais convenientes os poos piezomtricos. Porm para as vazes mximas, para as quais normalmente as alturas de elevao so limitadas, no possvel a realizao do poo piezomtrico, enquanto as caixas de ar seriam inadequadas. Neste caso, no resta outro recurso para regularizar o movimento da gua no conduto, que aumentar o momento de inrcia das massas em movimento. Montagens did ticas A montagem didtica a seguir pe em destaque esse golpe de arete devido brusca Interrupo do movimento da gua e a sua conseqente elevao.www.feiradeciencias.com.br/sala07/07_57.asp 2/8

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Nota: Em pesquisa sobre o carneiro hidrulico encontrei um excelente artigo -- Carneiro Hidrulico - Resgate Secular -- que o Prof. Luiz Roberto Toledo apresenta nas pginas do Globo Rural (outubro de 1997), descrevendo o trabalho do Prof. Luiz Antonio Lima e do p s-graduando ( poca) Antonio Carlos Barreto, da Universidade de Lavras - MG. Tentei por vrias vezes entrar em contato com Luiz Roberto Toledo (atravs da Re