Baixe Golpe de Ariete e outras Notas de estudo em PDF para Informática, somente na Docsity! ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA UNIVERSIDADE DO ALGARVE CAPÍTULO VII CHOQUE HIDRÁULICO ( GOLPE DE ARIETE ) ÁREA DEPARTAMENTAL DE ENGENHARIA CIVIL NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE Eng. Teixeira da Costa Eng. Davide Santos Eng. Rui Lança FARO, 28 de Fevereiro de 2001 DISCIPLINA DE HIDRÁULICA APLICADA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA - UNIVERSIDADE DO ALGARVE VII-i ÍNDICE 7.1 - Golpe de aríete .............................................................................................. 1 7.2 - Classificação das manobras de fechamento.................................................. 5 7.3 - Equivalência de tubagens............................................................................. 8 7.4 - Golpe de aríete em linhas de compressão .................................................... 8 7.5 - Medidas que atenuam o golpe de aríete....................................................... 9 7.6 - Velocidade na tubagem............................................................................... 9 7.7 - Seccionamento lento ................................................................................. 10 7.8 - Golpe de aríete em condutas elevatórias .................................................... 10 4.9 - Protecções contra o golpe de aríete........................................................... 16 DISCIPLINA DE HIDRÁULICA APLICADA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE VII-3 DISCIPLINA DE HIDRÁULICA APLICADA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE VII-4 Em B existe uma válvula de seccionamento (gaveta ou adufa, globo ou borboleta). Em (2) já ocorreu o seccionamento brusco e uma certa onda de pressão desloca-se da válvula para o reservatório à velocidade a em m/s. A velocidade da água U0 vai-se anulando à medida que a onda se propaga, de camada em camada. Simultaneamente o tubo dilata-se e a densidade da água aumenta. Isto verifica-se de (1) a (5), onde a densidade da água aumenta. (6) a (8), quando a onda chega a A a pressão na tubagem é maior do que H0 e por isso a água escoa da tubagem para o reservatório invertendo-se a velocidade U0. A onda de pressão é reflectida de R para B e atrás desta onda a tubagem retorna às sua dimensões normais e a densidade da água volta ao seu valor primitivo. (9) a (13), atingindo a válvula fechada B a onda reflecte-se e propaga-se outra vez até ao reservatório e a velocidade passa de zero para -U0. Atrás da onda o tubo contraí-se, a densidade da água diminui e a velocidade é nula. A pressão fica inferior à inicial H0 e verifica-se uma depressão. Em (13), ao atingir a secção A a pressão no interior do tubo é menor do que H0, há instabilidade no sistema. (13) a (17) a água começa a fluir do reservatório para a tubagem em velocidade +U0, os tubos voltam a adquirir a sus secção normal, a densidade da água retorna ao valor primitivo. Chega-se assim às condições iniciais, quando se fechou a válvula. Se esta continuar fechada vai repetir-se um novo ciclo. Se não houvesse atrito (rugosidade) nas paredes do tubo, e energia cedida ao reservatório, a repetição dos ciclos não sofreria interrupção. Chama-se período de tubagem, tempo de reflexão, ou período crítico o tempo necessário para a onda de pressão ir da válvula ao reservatório e retornar. a L⋅= 2µ (1) a (9) sendo: DISCIPLINA DE HIDRÁULICA APLICADA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE VII-5 µ período da tubagem; L Comprimento da tubagem (m); a Velocidade de propagação da onda - celeridade (m/s). A celeridade calcula-se pela fórmula de ALLIEVI. e DK a ⋅+ = 3.48 9900 em que: a celeridade da onda, (m/s); D diâmetro dos tubos, (m); e espessura dos tubos, (m); K coeficiente, função do módulo de elasticidade do material que constitui a tubagem. E K 1010= valores típicos de K: Tubos de aço, K = 0,5; Tubos de ferro fundido, K = 1,0; Tubos de betão, K = 5,0; Tubos de fibrocimento, K = 4,4; Tubos de plástico, K = 18,0. A celeridade, geralmente na ordem de 100 m/s, chega a ter valores de 300 m/s. O valor de a = 1425 m/s é a velocidade de propagação do som na água e corresponde a um material com E = ∞ (indeformável). 7.2 - Classificação das manobras de fechamento Se a manobra for rápida a válvula fica fechada antes da ocorrência da onda de depressão. Pelo contrário, se a válvula for fechada lentamente há tempo para ocorrência da onda de depressão, antes que se dê a oclusão completa. As manobras de fechamento podem ser lentas ou rápidas (bruscas ou instantâneas). Uma manobra é lenta quando o tempo é superior ao tempo da tubagem µ. DISCIPLINA DE HIDRÁULICA APLICADA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE VII-8 7.3 - Equivalência de tubagens No caso de uma conduta em série, com troços de comprimentos L1, L2, L3 e secções S1, S2, S3 a conduta equivalente terá por comprimento L e S1. L L L S S L S S = + + + ⋅⋅ ⋅1 2 1 2 3 1 3 Se a tubagem tiver o mesmo diâmetro mas celeridades diferentes a celeridade equivalente será : L a L a L a L a = = =1 1 2 2 3 3 L L L L= + +1 2 3 7.4 - Golpe de aríete em linhas de compressão Numa linha de compressão o caso mais relevante de golpe de aríete é o que ocorre quando se dá uma interrupção brusca da energia eléctrica. A velocidade das bombas começa a diminuir e com ela o caudal, mas a coluna líquida continua a subir pela tubagem até que a inércia é vencida pela força de gravidade. É neste período que se dá uma descompressão no interior da tubagem. Em seguida o sentido de escoamento inverte-se e a coluna líquida retorna para a bomba. Se não existirem válvulas de retenção a bomba começará a girar, em sentido contrário, funcionando como turbina. Se houver uma válvula de retenção o retorno da coluna líquida provoca o choque e a compressão do líquido dando origem ao golpe de aríete. Se a válvula de retenção não se fechar rapidamente a coluna líquida passa através da bomba, ganhará velocidade mais altas e o golpe de aríete poderá atingir valores altíssimos no momento do fecho. Se a válvula de retenção fechar-se rapidamente o golpe de aríete não chega a atingir um valor maior do que duas vezes a altura manométrica. Para o cálculo rigoroso do golpe de aríete é necessário conhecer-se os seguintes dados: a) Momento de inércia das partes rotativas da bomba e do motor (kg×m2); DISCIPLINA DE HIDRÁULICA APLICADA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE VII-9 b) Características internas da bomba (efeitos sobre a dissipação da energia, funcionamento como turbina); c) Condições de compressão e comportamento da onda de pressão. O cálculo rigoroso do golpe de aríete é feito graficamente pelo processo de BERGERON. 7.5 - Medidas que atenuam o golpe de aríete A fim de se limitar o golpe de aríete, em instalações de bombagem, costumam adoptar-se as seguintes medidas isoladas ou em conjunto : a) Limitação da velocidade nas condutas; b) Seccionamento lento das válvulas através de peças que não permitem a oclusão rápida; c) Instalação de válvulas de retenção ou válvulas especiais; d) Emprego de tubos que resistem à máxima pressão prevista que é, geralmente, o dobro da pressão estática; e) Utilização de aparelhos especiais, que limitam o golpe de aríete, tais como válvulas BLONDELET; f) Emprego de câmaras de ar comprimido; g) Utilização de volantes; h) Construção de chaminés de equilíbrio. 7.6 - Velocidade na tubagem Uma velocidade elevada, numa tubagem, é economicamente interessante mas é desaconselhável sob o ponto de vista técnico. As velocidades elevadas provocam ruídos e vibrações incómodas e no caso de ocorrência de golpe de aríete, pressões altas que podem ocasionar a ruína do sistema. As velocidades baixas também não são aconselhadas porque ocasionam deposição de sedimentos na tubagem. A experiência manda adoptar valores práticos para velocidades médias que não devem ser tomadas rigidamente. Para águas que carregam materiais em suspensão não é comum velocidades abaixo de 0,60 m/s. DISCIPLINA DE HIDRÁULICA APLICADA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE VII-10 Nas redes de distribuição de água a velocidade fica dependente da fórmula, 4.0 max 127.0 DU ⋅= Sendo D o diâmetro do tubo em (mm) e a velocidade expressa em (m/s). Na prática não são estabelecidos valores mínimos para as velocidades das redes de distribuição. Para os sistemas elevatórios de água as velocidades médias devem ficar entre 0,55 e 2,40 m/s. O limite superior é adoptado apenas para instalações que funcionem apenas algumas horas por dia (até 6 horas). Em turbinas, para geração de energia eléctrica, as velocidades são elevadas chegando a ultrapassar 10 m/s. 7.7 - Seccionamento lento A oclusão das válvulas deve ser muito lenta, com tempo muito inferior ao tempo da tubagem. Existem válvulas com dispositivos que limitam o tempo de seccionamento. 7.8 - Golpe de aríete em condutas elevatórias Como já foi referido anteriormente o golpe de aríete é a variação brusca de pressão, acima ou abaixo do valor normal de funcionamento, devido às mudanças bruscas da velocidade da água. Lei de JOUKOWSKY, g U t xh 0max ⋅= em que: U0 velocidade na tubagem; g aceleração da gravidade; a celeridade - velocidade média com que a variação de pressão percorre a tubagem. a x t = a K D e = + × 9900 48 3. DISCIPLINA DE HIDRÁULICA APLICADA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE VII-13 L comprimento da tubagem (m); U0 velocidade na tubagem (m/s); g aceleração (m/s2); Hm altura manométrica (m). i (%) 0 10 20 30 40 C 1.00 1.00 0.95 0.58 0.00 Quadro 7.8.2 - Valores de C = f(Hm/L) Para inclinações superiores a 50% devem ser tomados cuidados especiais sendo recomendável a fórmula de ALLIEVI para cálculo do golpe de aríete, em toda a extensão da tubagem. Os valores de K recomendados são os seguintes: L (m) < 500 ≈ 500 ] 500, 1500 [ ≈ 1500 > 1500 K 2.00 1.75 1.50 1.25 1.00 Quadro 7.8.3 - Valores de K (ALLIEVI) DISCIPLINA DE HIDRÁULICA APLICADA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE VII-14 L.C.M. Linha de carga manométrica; L.C.E. Linha de carga estática; L.C.P. Linha de carga na paragem; B Bomba; C Reservatório; Lc Comprimento crítico é a distância que separa o final da compressão do ponto crítico (coincidência dos valores de MICHAUD e ALLIEVI), 2 taLc ⋅= R B L.C.P. L.C.M. L.C.E. h L U g t max = × × × 2 0 Hm Hg L<Lc - Impulsão curta DISCIPLINA DE HIDRÁULICA APLICADA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE VII-15 L.C.M. Linha de carga manométrica; L.C.E. Linha de carga estática; L.C.P. Linha de carga na paragem; B Bomba; C Reservatório; Lc Comprimento crítico é a distância que separa o final da compressão do ponto crítico (coincidência dos valores de MICHAUD e ALLIEVI), Lc a t= × 2 R B L.C.P. L.C.M. L.C.E. h a U gmax = × 0 Hm Hg L>Lc - Impulsão longa P E Lc DISCIPLINA DE HIDRÁULICA APLICADA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE VII-18 (1) - Funcionamento normal; (2) - A água contida no reservatório de ar R.A.C. ocupou o lugar deixado pela onda de depressão que se iniciou na bomba e prosseguiu até ao final da tubagem. (3) - A água refluiu e ocupou parte do reservatório R.A.C. obrigando o nível deste a elevar-se e a comprimir mais o ar que se encontrava dentro do reservatório. Os reservatórios de ar protegem a instalação contra a sobrepressão e depressão e são muito empregados. d) - Válvulas anti-golpe Possuem um orifício que elimina para a atmosfera um certo volume de água que cria uma redução de pressão que equilibra a sobrepressão. São colocadas em derivação na tubagem de compressão. Quando a pressão atinge um determinado valor abrem-se automaticamente descarregando a água para o rio, reservatório ou poço. e) - Volantes de inércia Os volantes de inércia reduzem a amplitude da onda de depressão mas o seu emprego limita-se a sistemas elevatórios cujo comprimento da linha de compressão não exceda aproximadamente um quilómetro. 1 2 3 R.A.C. R.A.C. R.A.C. DISCIPLINA DE HIDRÁULICA APLICADA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA - NÚCLEO DE HIDRÁULICA E AMBIENTE VII-19 Com a incorporação de um volante é reduzida a oscilação de pressão. A inércia retardará a perda de rotações do motor e consequentemente aumentará o tempo de paragem da água. Além dos sistemas apontados, que são os principais, costumam-se adoptar ainda as seguintes disposições : e.1) - Usar tubagem2 cuja resistência aguente o golpe de aríete; e.2) - Usar velocidades baixas (entre 0.80 e 1.50 m/s); e.3) - Usar ventosas de duplo efeito em todos os pontos altos. 2 Regra prática : Num tubo de aço não haverá esmagamento se a espessura em mm for igual a dez vezes o diâmetro expresso em metros (D=800 mm ⇒ D = 0.8 m ⇒ 10 × 0.8 = 8.0 mm).